大倾角放顶煤上覆岩层结构失稳力学机理研究

2023-09-11关书方杨长益师皓宇徐安天刘海洋董一博

华北科技学院学报 2023年4期

关书方,杨长益,师皓宇,徐安天,刘海洋,董一博

(1.开滦(集团)有限责任公司生产技术部,河北唐山,063000;2.华北科技学院矿山安全学院,北京东燕郊,065201)

0 引言

煤炭资源是我国能源之主体,随着我国煤炭开采规划的进一步完善以及浅部平缓煤层的优质煤炭资源逐渐枯竭,针对更为复杂地质条件的煤层开采显得愈发重要。大倾角煤层凭借其特殊成煤环境造就的优质焦煤与无烟煤等稀缺煤种跻身于开采对象前列,但由于大倾角煤层开采会存在上覆岩层活动规律复杂[1-2]、矿压显现剧烈[3-4]、采场顶板难以控制等一系列技术难题,使得大倾角煤层开采技术发展较缓倾斜煤层更加缓慢[5-7]。其中上覆岩层结构失稳是影响综放工作面安全生产的重要因素之一,同时在大倾角综放工作面的倾角因素影响,其上覆岩层结构失稳机理与普通综放工作面会存在一定差异。针对这一方面,国内诸多学者也进行了不少研究,如王金安等[8]根据大倾角条件下的顶板结构特征,深入研究了基本顶破断在不同阶段的发展规律,指出了大倾角煤层顶板岩层的初次破断与平缓煤层不同,呈“V—Y”型断裂发展模式;黄建功等[9]对采场顶板岩层的活动规律进行研究,发现老顶岩层在大倾角工作面开采时易形成倾斜砌体梁大结构,直接顶岩层在采场中下段易形成砌体梁小结构,并总结出该小结构平衡的极限条件和结构失稳形式;蔡瑞春[10]采用理论分析、数值模拟等方法研究了大倾角煤层开采矿压特征,提出了大倾角煤层上覆岩层控制技术。这里以唐山矿0291工作面上覆岩层顶板结构为研究对象,通过分析上覆岩层结构失稳过程得到的结构稳定与失稳后向高位转移的判别条件来进一步探明该工作面上覆岩层活动规律,为该综放工作面安全高效生产提供一定的理论支撑。

1 工作面概况

唐山矿0291综放工作面位于南五采区8,9煤层,煤层倾角5°～39°,平均倾角24°,煤层厚度为8.6～11.7m,平均厚度10m,采高3.0m,采煤机截深0.6m,工作面布置图见图1。综放工作面选用87组型号为ZF7600/17/34D的四柱支撑掩护式放顶煤过渡液压支架以及18组型号为ZFG6800/20/32D的过渡支架,高度为1.7～3.4m,宽度为1.41～1.58m,中心距为1.5m,工作阻力7600kN,支护强度1.03MPa,初撑力6182kN。

图1 0291工作面布置图

上覆岩层,作为一种赋存在煤层之上的岩层,一般根据垮落难易程度与距煤层距离远近可分为伪顶、直接顶和老顶。因此结合上覆岩层结构划分以及工作面煤岩层实际情况基本确定该工作面煤层上方厚度0.16～3.3m的黑色碳质泥岩为夹石层,不存在伪顶;伪顶上方厚度为6m的粉砂岩为直接顶;直接顶上方厚度2.1m的浅灰色中砂岩为老顶,其中老顶岩层为上覆岩层顶板结构的关键层。

2 上覆岩层顶板结构失稳分析

由于破断岩块不断挤压产生摩擦力,令上覆岩层形成状似梁、实为拱的砌体梁结构,同时根据顶板岩层是由若干层坚硬岩层组成这一特点,采场老顶从煤壁前方至采空区沿走向方向上的同一层面水平与垂直位移变化各不相同且在同一垂直面上下位岩层的下沉量较之上位岩层更大。上位岩层的挠曲下沉,必然产生互为条件,相互依存的两种运动,一是上位岩层的下沉运动;二是上、下位岩层层面间的挤压变形运动,虽然上位岩层下沉的下沉运动可能会伴随裂隙产生,但在未发生垮落之前,整体上仍可看作是连续状态,具备一定抗压和抗剪能力,因此在放顶煤开采时上位岩层运移总体表现为:随着顶煤的不断放出以及需要充填空间的不断加大,会使上覆岩层各分层的位移逐步增大,层面间不停产生相互挤压,当挤压变形达到一定程度时,工作面砂岩材质的老顶上位与下位岩层挤压变形运动会伴随离层出现,当老顶回转变形到一定程度时,下位岩层砌体梁关键块体之间断裂面的挤压,可能会造成结构失稳致使老顶下位岩层垮落,具体失稳垮落过程如图1所示。

由于上位岩层的挠曲下沉,使得层面间发生挤压变形,处于挠曲面上方或下方的挤压面,受该层面弯矩大小和方向决定,会在挤压面的另一方出现张拉面。这里选取工作面下位老顶A岩块和B岩块作为分析对象,在挤压面未出现压裂性失稳现象前,大抵可认为挤压面仅进行层面水平运动,如图2所示,原来的ABCD小块被压缩移动至A′B′C′D′,其影响范围与岩层回转角成正比。

因此,大倾角工作面老顶在初期挤压变形运动中岩块会被不停压缩变形,但下沉较小可看做只进行层面的水平移动,即保持连续变形的特性,而当要产生压裂性失稳现象时,岩块之间的压缩程度达到极限,此时的岩层回转角处于临界点状态,一旦超过这一临界角度,势必会发生压裂性失稳,造成下位岩层的大量下沉垮落。

此时,若利用有限变形力学的应力速率法,依据层面挤压变形特点来模拟结构面挤压力,则可从滑切失稳和压裂性失稳两个角度来归纳总结保持结构稳定状态的判别条件。

(1) 滑切失稳

当B岩块在水平推力作用下形成的块间摩擦力小于剪切力时,块间显现台阶状产生错动失稳,其条件为:

(1)

(2) 压裂性失稳

当B岩块绕A点的回转角达到一定程度,结构块之间力的联系将不复存在。造成这一现象的主要原因是由于B岩块进行回转时推力大于挤压点的抗压强度,即

(2)

式中,[σ]c为岩块抗压强度,MPa;η为上位岩层压裂时极限强度系数,η=0.3较为合理。

式(1)结合式(2)可得

(3)

通过分析断裂面失稳条件可以看出,上覆岩层失稳垮落与其岩性以及断裂面的挤压角相关;上位岩层的挠曲下沉量以及断裂面的挤压角越大,越容易发生压裂性失稳。

3 上覆岩层结构向高位转移条件分析

上覆岩层层面挤压角增大,会使结构发生压裂性失稳进而垮落,采空区也在不断充填,上覆岩层结构开始向高位转移。为明确转移的判别条件,需取压裂性失稳的极限条件,得到岩层断裂面极限挤压角,即

(4)

(5)

由式(5)可得,极限挤压角只与其自身岩性有关,即岩层的剪切模量与岩块的抗压强度。此外,断裂面挤压角是由其弯矩引起的,根据功能关系,在断裂面上弯矩M引起岩层挠曲,弯矩在岩层回转角β上所做的功必然等于挤压面力在挤压角上所做的功,即

(6)

计算悬臂梁任一断裂面弯矩,考虑回转角影响,即

(7)

式中,q为单位线密度,kN/m;L为岩层在断裂面处跨度,m。

将式(7)代入(6)式有

(8)

由于β与sinβ是等价无穷小量,即β～sinβ,则公式(8)可化简为

(9)

一般情况下0<β<π/4。

由式(9)可知:在煤岩层赋存条件和开采技术条件一定的情况下,回转角β与挤压角θ成正比关系,即随回转角β增大,挤压角θ也增大。挤压角θ的增大将导致上覆岩层结构产生压裂性失稳,因此放顶煤开采过程中,上覆岩层的下位岩层回转角增大,挤压角也随之增大从而使得结构开始出现压裂性失稳垮落;而随着冒落带岩层不断充填采空区,使得高位岩层的回转角开始减小,进而影响挤压角变小,此时高位岩层更易形成稳定的平衡结构。

4 大倾角工作面上覆岩层结构稳定性分析

为实际探明唐山矿0291工作面上覆岩层结构的稳定性情况,通过理论分析及推导大倾角工作面上覆岩层结构失稳及向高位转移判别条件,利用唐山矿0291工作面综合地质柱状图(图4)及上覆岩层结构情况表(表1),进行如下计算分析:

表1 上覆岩层结构情况表

图4 0291工作面综合地质柱状图

图5 上覆岩层结构的层面挤压角变化

上覆岩层第一层为0.16～3.3m厚度的黑色碳质泥岩,将G=3.3MPa、h= 3.3m、θ=25°代入公式(1)可得F摩=0.13MPa,小于Q=2MPa,同时小于η[σ]c=0.3MPa,故当放顶煤开采时上覆岩层第一层易发生滑切失稳,未发生压裂性失稳;上覆岩层第二层为6.0m厚度的深灰色粉砂岩,将G=6.4MPa、h= 6.0m、θ=30°代入公式(1)可得F摩=0.8MPa,小于Q=2MPa,同时小于η[σ]c=1.2MPa,故上覆岩层第二层易发生滑切失稳,未发生压裂性失稳;上覆岩层第三层为2.1m厚度的浅灰色中砂岩,将G=12.3MPa、h= 2.1m、θ=32°代入公式(1)可得F摩=0.67MPa,远小于Q=8MPa,但同时小于η[σ]c=1.5MPa,故上覆岩层第三层极易发生滑切失稳,未发生压裂性失稳;上覆岩层第四层为8.6～9.8m厚度的粉砂岩,将G=12.3MPa、h= 9.8m、θ=32°代入公式(1)可得F摩=3.14MPa,远小于Q=8MPa,但大于η[σ]c=1.5MPa,故上覆岩层第四层会直接发生压裂性失稳;上覆岩层第五层为4.9～6.4m厚度的细砂岩,将G=6.4MPa、h= 6.4m、θ=30°代入公式(1)可得F摩=0.86MPa,小于Q=1.5MPa,但大于η[σ]c=0.45MPa,且