综采工作面塑性区煤体的流变特性分析

李建伟，王创业，王茜茜

(内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010)

综采工作面塑性区煤体的流变特性分析

李建伟，王创业，王茜茜

(内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010)

针对综采工作面对煤壁片帮防治的安全生产需求，运用流变力学理论，对综采工作面塑性区煤体的流变特性进行了分析，并以不同受力条件下煤体蠕变变化的动态类型为依据，对塑性区煤体的流变特性进行了分区。研究表明：塑性区煤体变形过程中，存在的不平衡滑动力是煤体开始失稳直至破坏的根本原因；不平衡滑动力与煤体长期强度的大小关系的不同，造成塑性区不同区域煤体蠕变变化分为衰减蠕变、稳态蠕变和非稳定蠕变；确定非稳定蠕变区煤体蠕变时间，能从理论上计算工作面推进速度的下限值。根据现场工作面生产地质条件对塑性区煤体的流变特性进行了分区，并通过现场实测结果分析，得出工作面煤壁片帮多发生在煤壁中上部，且工作面两端头位置片帮发生次数以及片帮尺寸均比中部大。理论分区结果与现场实测煤壁片帮部位具有较好的一致性。

综采工作面；塑性区煤体；流变特性；煤壁片帮

煤壁片帮是影响综采工作面安全生产的技术难题之一。随着综采技术装备的不断革新，工作面采高不断增大，推进速度不断加快，使得工作面煤壁片帮的几率不断增大，严重影响安全生产。工作面开采过后，在超前支承压力的作用下，极限平衡区(塑性区)内煤体由弹性变形转为塑性变形，煤壁附近煤体则已处于塑性破坏阶段，其承载能力大幅度下降，处于极不稳定的状态[1-2]。文献[3]通过对极软厚煤层工作面煤体的受力状态进行分析，将煤壁的破坏形式分为拉裂破坏与剪切破坏，认为无论是煤壁的拉裂破坏还是剪切破坏，主要与煤体的顶板压力、抗剪强度、煤体性质有关，减小煤壁压力、改变煤体性质、提高煤体抗剪强度是防止煤壁片帮的主要途径。文献[4]运用滑移线理论分析了厚煤层大采高工作面煤壁失稳的力学过程，认为极限平衡状态的煤体沿采动压剪破坏面的滑动造成了煤壁的片帮失稳。文献[5]在“三软”大采高综采面煤壁片帮特征实测的基础上，建立了煤壁“楔形”滑动体稳定性分析的空间力学模型，得到了控制煤壁稳定性的关键要素。文献[6]采用边坡稳定性研究的成果，用概率分析方法，从理论上对大采高工作面煤壁发生片帮的原因进行了研究，建立了大采高工作面煤壁滑面力学模型，分析了影响工作面煤壁稳定性的各种相关因素。另外，文献[7-11]分别研究了煤层埋深、覆岩活动、机采高度以及煤层夹矸等对工作面超前煤体的受力状态以及破坏形式的影响。上述文献针对工作面塑性区内煤体的稳定性进行了大量的理论和现场实测研究，基本上采用极限平衡法对煤壁附近煤体的受力状态和破坏形式进行分析。由于塑性区内煤体的变形是在垂直应力与水平应力的组合作用下产生的随时间变化的过程，因此，采用流变力学相关知识，对塑性区内煤体流变特性进行分析更符合现场实际。

本文针对综采工作面超前煤体的受力状态，运用流变力学理论，对塑性区内煤体的流变特性进行了分析，并以不同受力条件下煤体蠕变变化的动态类型为依据，对塑性区煤体的蠕变特征进行了分区，对采用流变力学理论分析工作面围岩的稳定性进行了有益的尝试。

1 工作面塑性区煤体流变性质分析

采场进行回采作业后，周围煤岩体应力状态重新分布，其中工作面前方煤体受到的垂直应力以支承压力的形式表现，采场前方煤体按支承压力的大小分为极限平衡区(塑性区)和弹性区[2]。塑性区内煤体在垂直应力与水平应力的组合作用下，产生随时间变化的变形。根据岩石的流变性质[12-13]，介质在受力大小和方向均不改变的情况下，其变形随时间的变化呈现出不同形式的增大。因此，工作面塑性区内煤体的变形失稳甚至破坏是一个时间与空间的动态发展过程。

1.1 塑性区煤体受力状态分析

根据弹塑性理论[2]，工作面前方极限平衡区内支承压力的计算公式：

(1)

(2)

式中，γ为上覆岩层平均容重，kN/m3；h为煤层平均埋深，m。

式(1)，(2)给出了开采过程中，工作面前方塑性区内煤体支承压力的分布形式与分布范围，塑性区内支承压力呈指数函数关系递增至支承压力峰值Kγh。

而塑性区煤体受到的水平应力则可表示为：

(3)

式中，β为侧压力系数。

1.2 塑性区煤体变形失稳的时间效应

根据相关研究[14]，工作面围岩应力分布状态受时间因素的影响呈现出不同的特点，说明采场围岩具有明显的流变性质，特别是较软弱的煤体，其流变特性更显著。工作面煤层开采后，煤壁塑性区内煤体在其弹性限度内发生弹塑性变形后，会随着时间的变化发生蠕变变形。由于塑性区煤体受力状态的不同，将导致不同区域煤体的蠕变变形曲线及其发展变化趋势的差异。综合运用流变力学中长期强度特征、流动特性和蠕变特性等对塑性区煤体的流变性进行分析，能真实反映不同区域煤体受力与变形在时间上的相互关系，进一步深化采场围岩稳定性控制理论，对于防治综采工作面煤壁片帮、端面冒顶等事故的发生具有指导性的意义。

2 塑性区煤体变形失稳的动态类型及其运动机制

2.1 塑性区煤体不平衡应力分析

塑性区煤体蠕变变形过程中，存在的不平衡滑动力是煤体开始失稳直至破坏的根本原因。不平衡滑动力指促使煤体失稳的水平应力与抵抗煤体失稳的阻力之间的差值，记为ΔF=FP-FR，由ΔF产生的，沿煤层水平分布的剪应力为不平衡剪应力Δτ。塑性区煤体变形失稳的动态类型与发展趋势之所以多种多样，是因为Δτ值不同和变化所致。

图1 工作面煤壁塑性区内煤体受力状态分析

如图1所示，塑性区内煤体所受支承压力呈指数规律变化，为了计算的简便且不失准确性，将此范围内支承压力曲线近似为直线变化：

(4)

取塑性区煤体任一微小块体m0分析，块体受到的促使其沿煤层滑动的力：

(5)

m0所受到的阻止其沿煤层滑动的力：

(6)

式中，μ′为微小块体m0所处煤层间的摩擦系数。

因此，任一微小块体所受到的不平衡滑动力与不平衡剪应力的表达式为：

(7)

(8)

2.2 塑性区内煤体变形失稳的动态类型

岩土材料的蠕变变形趋势取决于剪应力值与长期强度τ之间的关系[15-16]。长期强度是指岩石强度随时间而持续有限降低，并逐渐趋近于一个稳定收敛的低限定值[17]。

由于工作面塑性区内不同区域煤体所受不平衡滑动力与煤体长期强度的大小关系的不同，导致如图2所示塑性区煤体蠕变变化规律曲线的差异。

图2 塑性区煤体蠕变规律曲线

图2中所示煤体蠕变曲线有如下特点：

(1)衰减蠕变(曲线1)：Δτ<τ，变形随时间减小，最终趋于停止。

(2)稳态蠕变(曲线2)：Δτ=τ，变形速度保持常数，此状态为临界状态，会向非稳定蠕变或者衰减蠕变状态转变。

(3)非稳定蠕变(曲线3)：Δτ>τ，变形随时间逐渐增大，速度递增，一般情况下在保持相当时间段的等速变形后，出现加速而以破坏结束。

3 塑性区煤体的流变特性与分区

对于煤体的蠕变运动而言，可将同一水平方向上的各块体m0,m1,m2，…mn视为一个个受剪切力作用的流变体。在变形阶段，随着各块体的变形失稳引起塑性区的发展，每一块体承受不平衡剪应力Δτ>τ时，该块体就会像流变实验中岩体单元产生加速度，但是由于受前面块体的变形约束，该加速度产生的力使其相邻块体继续剪切变形，而没有自身产生加速运动。因此，采用积分法对图1中块体m0的受力状态进行分析更符合实际受力特点。

故块体m0受到的促使煤体沿煤层变形失稳的水平力可表示为：

(9)

而塑性区内抵抗块体m0失稳的阻力则为因支承压力而产生的层间摩擦力，即：

(10)

所以块体m0所受不平衡滑动力：

ΔF=βγhy-μKγhx

(11)

不平衡剪应力可表示为：

(12)

相关文献研究得出[18]，煤体的长期强度可取瞬时强度的38%～65%，即流变系数取0.38～0.65，且煤体的强度越大，流变系数的取值也越大。

τ=η[τ]

(13)

式中，η为流变系数；[τ]为煤体剪切强度，MPa。

设塑性区内煤体流变特性分区判别值Γ=Δτ-τ。当Γ>0时，此范围内煤体处于非稳定蠕变区，煤体的流变特征如图2中曲线3所示；当Γ=0时，此范围内煤体处于稳定蠕变区，煤体的流变特征如图2中曲线2所示；当Γ<0时，此范围内煤体处于衰减蠕变区，煤体的流变特征如图2中曲线1所示。

将式(12)，(13)代入Γ=Δτ-τ，得：

(14)

式中，0≤y≤M，0≤x≤x0。

由式(14)可以看出，塑性区内煤体流变特性受煤层埋深h、侧压力系数β、支承压力峰值K等煤岩赋存状态，煤体抗剪强度[τ]、流变系数η等煤体物理力学特性以及塑性区煤体所处的空间位置等因素的综合影响。

结合西川煤矿1109综采面煤岩物理力学性质和开采技术条件，对工作面塑性区内煤体的流变特性进行分区。该工作面煤层平均厚度3.0m，煤层埋深平均420m，覆岩容重γ=26kN/m3，侧压力系数β=0.5，煤层层间摩擦系数f=0.25。

通过煤体抗压强度试验，得到煤的抗压强度φc=29.13MPa。

现场支承压力实测结果如图3所示，取最大支承压力集中系数平均值K=1.6。

图3 实测工作面支承压力分布

从图中可以看出塑性区范围为4m。将以上参数代入式(2)，亦可以得出塑性区宽度x0=4.2m。参考理论计算和现场实测结果，取x0=4.1m。

通过煤体抗剪强度试验，得出煤体抗剪强度平均值[τ]=8.83MPa，考虑到煤体的坚固性系数为2.1，取流变系数为0.5，则得到塑性区煤体的长期抗剪强度τ=4.415MPa。另外，内摩擦角φ=30.5°，黏聚力C=8.65MPa，

结合以上分析结果以及工作面煤岩相关物理力学参数，通过式(14)可以计算得出如图4所示塑性区煤体的流变特征分区。

图4 工作面塑性区煤体的流变特征分区

从图4中可以看出：

(1)根据Γ的大小，可以将塑性区煤体分为衰减蠕变区和非稳定蠕变区。衰减蠕变区内煤体变形随时间减小并趋于稳定；而非稳定蠕变区内煤体变形则随时间变化呈现不同程度的增大，直至失稳破坏。

(2)在非稳定蠕变区，Γ值越大，表明煤体受到的不平衡剪应力越大，煤体发生蠕变破坏的时间越短。从图中可以看出，在塑性区煤体Γ值靠近煤壁侧越来越大，表明越靠近煤壁侧，煤体的蠕变破坏发生时间越短，煤壁越不稳定，如果遇到采煤机采动或者支架移架等扰动影响，煤壁将极易发生片帮。

(3)非稳定蠕变区中煤体的Γ值随着煤层采高的增加而增加，表明煤壁中上部煤体流变变化较下部快，为片帮危险区域。现场生产中，工作面煤壁片帮多以顶部片帮和腰部片帮为主，多发生在煤壁中上部。分析结果和现场实际有较好的一致性。

4 时间因素对塑性区煤体流变特性的影响探讨

由于弹性变形已经发生，非稳定蠕变区煤体将经历缓慢蠕变、稳定蠕变和加速蠕变3个阶段，且Δτ不同，3个蠕变阶段历时长短将不同，如图5所示。图中体现了煤体蠕变动态发展的3个阶段：缓慢蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段。

图5 非稳定蠕变区煤体蠕变变形的动态发展阶段

确定非稳定蠕变区煤体缓慢蠕变和稳定蠕变阶段的时间，可以得出自采煤机采煤过后，煤壁能保持自身稳定的时间阈值tc。现场生产中，可以通过确定合理的工作面推进速度来使得煤壁自采煤机上一次开采过后，在tc时间内采煤机第2次采过，从而减少工作面煤壁片帮的发生几率。

可以通过一系列蠕变试验，得出在不同的剪应力τ作用下，煤的变形速率ε随时间t的变化曲线，简记为：

ε=f(t)τ

通过对煤的变形曲线的分析，可以得出煤体各蠕变变形阶段所经历的时间，取缓慢蠕变和稳定蠕变阶段的时间tcτ。则可以得出工作面推进速度的下限值：

v=24·m/tcτ

式中，v为工作面推进速度，m/d；tcτ为缓慢蠕变和稳定蠕变阶段的时间，h；m为工作面循环进尺，m。

因此，不同的剪应力τ作用下，煤的蠕变变化规律研究将是下一步工作的重点。

5 现场实测分析

现场对1109工作面发生的23次煤壁片帮进行统计分析得出，煤壁的片帮形式主要分为顶部片帮、腰(顶)部片帮以及整体片帮3种形式，工作面煤壁片帮形式统计见表1。

表1 工作面煤壁片帮形式统计

通过统计分析，工作面煤壁片帮多发生在煤壁中上部，且最大片帮深度和宽度均较大，这表明塑性区内中上部煤体较下部煤体稳定性差，尤其是在采煤机采动或液压支架移架等扰动影响下，煤壁片帮较易发生。

在工作面面长方向，统计分析煤壁片帮的发生次数、片帮尺寸参数如图6所示。从图中可以看出，工作面两端头位置片帮发生次数以及片帮尺寸均比中部大，这是由于工作面采煤机双向割煤，两端头煤体相比于中部煤体，其所受围岩作用力的时间较长，煤体产生较大的流变变形，煤壁片帮发生的几率较中部大。

图6 工作面面长方向煤壁片帮统计分析

6 结 论

(1)工作面煤层开采后，塑性区内煤体在围岩应力的作用下即发生随时间变化的蠕变变形，煤体的变形失稳甚至破坏是一个时间与空间的动态发展过程。

(2)工作面塑性区内不同区域煤体所受不平衡滑动力与煤体长期强度的大小关系的不同，导致塑性区煤体蠕变变化规律的差异。

(3)采用流变力学理论，对塑性区煤体的流变特性进行了分析，并根据现场工作面生产地质条件对塑性区煤体的流变特性进行了分区。

(4)通过现场实测结果统计分析，得出工作面煤壁片帮多发生在煤壁中上部，且工作面两端头位置片帮发生次数以及片帮尺寸均比中部大。

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AnalysisofCoalRheologicalBehaviorwithinPlasticZoneofFullyMechanizedCoalMiningFace

LI Jian-wei，WANG Chuang-ye，WANG Qian-qian

(Mining Researching Institute，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China)

To Safety production demand of fully mechanized coal mining face to rib spalling prevention，and rheological mechanics theory was utilized，the coal rheological behavior within plastic zone of fully mechanized coal mining face was analyzed，according dynamic types of coal creep deformation under different stress condition，the coal rheological behavior within plastic zone was divided.The results showed that during coal deformation process in plastic zone，the unbalance sliding force was the primary reason of coal unbalance to failure，the creep deformation variation was divided decay creep，stable creep and unsteady creep of different plastic zone as the relationship between unbalance sliding force and coal long-term strength，and coal creep time of unsteady creep zone was determined，the lower limiting value of working face advanced speed could be calculated in theory.According practical geological condition in filed，the coal rheological behavior was zoned in plastic zone，according filed measurement，working face rib spalling mostly appeared in the upper part，the frequency and rib spalling size at two sides of working face was more than in middle part，the consistency of the theatrical partition was consistency to filed measurement.

fully mechanized coal mining face；coal of plastic zone；rheological behavior;rib spalling

2017-09-22

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.003

国家自然科学基金项目(51574220，51464036)；内蒙古科技大学创新基金项目(2017QDL-B11，2017QDL-B12)

李建伟(1987-)，男，河北石家庄人，讲师，工学博士，研究方向：矿山岩体力学与岩层控制。

李建伟，王创业，王茜茜.综采工作面塑性区煤体的流变特性分析[J].煤矿开采，2017，22(6)：10-14.

TD325

A

1006-6225(2017)06-0010-05

潘俊锋]