大倾角软煤综放采场支架-围岩系统失稳研究.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 大倾角软煤综放采场支架围岩系统失稳研究 郭 峰郎 丁黄克军曹新奇 陕西煤业化工技术研究院有限责任公司陕西 西安 西安科技大学 能源学院陕西 西安 摘 要针对大倾角软煤综放采场支架围岩系统稳定性差控制难度大的问题采取现场观测、理论 分析、力学建模相结合的方法对采动过程中顶板、煤壁、支架、底板的失稳过程进行了研究结果表 明大倾角软煤综放采场顶煤煤壁支架底板系统稳定性差且各因素间存在相互扰动及恶性互溃 的失稳机制指出控制该类采场稳定性的关键在于控制顶煤漏冒与煤壁片帮可为大倾角软煤综放采 场的“支架围岩”系统稳定性控制提供借鉴 关键词大倾角松软煤层围岩失稳“支架围岩”系统 中图分类号 文献标志码 文章编号 . . . 收稿日期责任编辑王晓珍 / 作者简介郭 峰男陕西澄城人研究员硕士 . 引用格式郭 峰郎 丁黄克军等 大倾角软煤综放采场支架围岩系统失稳研究 煤炭科学技术 . 引 言 大倾角松软煤层综放开采过程中受煤层倾角 影响采场支承压力非对称分布松散顶煤易冒落 与支架接触关系差顶煤在煤壁支承压力、自身重力 及线性尺度影响下易发生压剪破坏使得大倾 角综放采场处于一个极易发生动态失稳的“支架 围岩”系统当中顶煤、煤壁、支架、 底板是构成这一系统的 个关键因子这 个 因子相互约束、相互支承构成了大倾角采场的“ ”系统 目前针对大倾角采场“支架围 岩”关系的研究较多但多针对法向的“顶板支架 底板”关系倾向的“顶板支架”关系与“支架支 架”关系 对三维空间采场“顶板支架底板 煤壁”四者之间的耦合关系及灾变时的互溃机制尚 不够完善与系统 笔者通过分析大倾角综放采场回采过程中各因 子的破坏模式揭示各因子破坏后相互间的“恶性 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 互溃”机制并最终确定大倾角软煤综放采场“ ”系统的灾变演化路径及关键控制因素 对 该类煤层的“支架围岩”控制实践具有一定的现实 与科学意义 “”系统失稳影响因子 顶煤冒漏 顶板压力以直接顶为介质作用于顶煤之上由 于煤层松软顶煤受压剪作用在一定范围内形成散 体区 在移架、升降架、放煤等操作过程中散体顶煤 易在架前、架间发生漏冒并受煤层倾角影响向倾斜 下方发生滑滚 受倾角影响煤层顶板冒落矸石沿 倾斜方向非均匀充填在尺度效应的影响下工作面 中上部的矿压显现最为剧烈顶煤破坏最为严重支 架空载率也相对较高 煤壁片帮 基本顶的周期性回转失稳产生的压力通过直接 顶作用于顶煤顶煤在煤壁前方一定距离内产生变 形逐渐进入塑性或脆性破坏状态工作面前方顶煤 进入散体区 同时在工作面超前支承压力作 用下工作面前方煤体沿节理面呈碎裂状态抗剪能 力大幅降低煤壁外鼓量增加在工程扰动和煤壁自 身重力的影响下煤壁中上部易发生片帮片帮区域 呈“涟漪”状向斜上方发展发展至顶板附近时还会 引起煤壁上方及架前顶煤向下大量冒出 底板滑移 在大倾角工作面随着煤层倾角的增大底板岩 层自稳性能降低在底板卸荷过程中发生的运动易 导致底板的断裂、膨出形成滑移体并产生沿滑移面 的滑移 受大倾角工作面的采空区非均匀充填 影响工作面中上部的底板卸荷作用比较明显发生 大变形与破坏的可能性也更大 当底板岩层完整性 较差、软弱夹层多、透水性高时中上部的破坏滑移区 有可能在外力的作用下向下部扩大和蔓延当支架 对底板滑移体的增载作用与底板的卸荷作用无法相 互抵消或相互叠加时易发生底板破坏滑移 底板 是“支架围岩”系统构成的基础在大倾角工作面 一旦出现底板的破坏滑移将会导致“支架围岩” 系统的不稳定性加剧 支架失稳 大倾角工作面支架在自身重力的作用下本身具 有倾倒、下滑的趋势特别是在松软煤层的综放工作 面支架的稳定性控制难度更大 回采过程中顶煤 的漏冒、滑滚煤壁的片帮、垮落底板的破坏滑移都 会导致支护系统与动态围岩的匹配耦合特性弱化 形成一个稳定性极为脆弱的支架围岩伪系统 在 围岩支架相互运动的过程中支架易出现“倾、倒、 挤、咬”等失稳形式使支架失去对围岩运动的关键 性控制作用进而引发支架围岩系统更大范围的 失稳甚至灾变 “”系统失稳机制 大倾角采场的“”系统稳定性差特 别是在动态过程中系统中任意 个因子的运动变形 特性不匹配就会导致其相互约束关系弱化甚至消 失这种约束关系的改变并不是独立进行的而是会 引起系统内各因子之间约束关系的“链式破坏” 图 更为严重的是在各因子破坏失稳的同时 会与其他因子的失稳产生“恶性互馈”作用导致“ ” 系统的失稳严重程度和范围不断加剧、 扩大 各因子间“链式破坏”演化过程 大倾角松软煤层综放采场“”系统的 链式破坏演化过程可以简要概括为“顶冒帮片 架倒底滑” 具体可以概括为以下步骤 松软顶煤在顶板压力作用下发生压剪破坏 处于自由破碎状态在进行移架、放煤等工序操作时 破碎状态的顶煤易冒漏造成支架“顶空” 顶空状态下工作面支架受力不充分支承压 力会进一步向前方转移此时工作面前方顶煤及煤 壁沿节理面被压碎抗剪压能力骤降煤壁向外鼓出 量增加在煤体自身重力及外力扰动下发生片帮 在煤壁中上部片帮范围呈涟漪状不断向斜 上方扩大导致支架护帮板失效空顶距加大此时 煤壁和支架上方的破碎顶煤沿架前空顶位置的漏冒 加剧 支架将处于完全空载状态在自重和外力扰 动的作用下极易发生倾倒 此时随着冒顶、片帮及支架倾倒现象的加 剧支架无法正常受力其对底板的增载作用无法抵 消底板向采场已成空间的卸荷作用底板开始出现 断裂破坏形成滑移体并沿滑移面向下发生滑移造 成支架围岩系统更大范围的失稳 各因素间的“恶性互馈”机制 在大倾角松软煤层综放采场“”系统 中任何因子在局部的失稳都会引发其他因子的失 稳破坏 这种失稳不是独立发展的每一处的失稳 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 郭 峰等大倾角软煤综放采场支架围岩系统失稳研究 年第 期 都会为其相邻区域的失稳提供条件反之相邻区域 的失稳又会导致该处失稳的进一步加剧如此往复 形成恶性互馈 .. 顶煤冒漏与支架倾倒的恶性互馈 松软顶煤在顶板压力及工程扰动的作用下发生 压剪破坏破碎后易沿架前、架间冒出导致支架接 顶不充分在移架及放煤过程中易造成支架倾倒 支架发生倾倒后顶空面积增大更多顶煤冒出进一 步恶化了支架与顶煤的接触关系 以甘肃某煤矿 工作面为例当支架进入顶煤时顶煤已十分 破碎且强度较差在支架初撑力的作用下顶煤迅速 发生进一步的变形破坏使支架无法通过顶煤这一 介质与顶板形成良好的接触关系因此支架初撑后 由于无法有效与顶煤形成相互挤压作用因此载荷 长期处于初撑力以下水平监测得到倾斜各区域支 架的循环内载荷如图 所示 图 循环内支架载荷变化 顶煤冒漏越严重支架与顶煤的接触关系越差 支架受载越不充分继而易诱发倾倒对工作面中上 部第 号支架的实时受载与倾倒角度进行了 的不间断监测发现支架的受载与倾倒角度呈负相 关关系且在支架倾倒角度增大的阶段支架受载呈 迅速下降的态势即随着支架倾倒角度的增大其上 方顶煤发生了进一步的漏冒如图 所示 图 支架“载荷倾角”关系 “” .. 顶煤冒漏与煤壁片帮的恶性互馈 破碎顶煤沿架前冒漏后支架受载不充分甚至不 受载此时工作面支承压力前移增大了前方煤壁塑 性区内煤体的轴向应力导致煤体膨出在自身重力 及外力的扰动下发生片帮 研究表明片帮位置易发 生在煤壁中上部 受煤层倾角影响局部片帮发 生后在煤的重力作用下片帮范围会继续向斜上方 发展直至与顶煤交接处如图 所示片帮发生后扩 大了煤壁上方及支架上方顶煤的冒漏通道面积继而 引发更大范围的顶煤冒漏如图 所示 图 煤壁片帮示意 .. 底板滑移与支架倾倒的恶性互馈 采场形成后围岩应力的二次分布造成了底板 向已成空间的卸荷运动支护体的结构和工作特性 与围岩的变形特性是否匹配决定着底板稳定性的控 制效果 当顶煤及煤壁的冒、片发生后支架易发生 不同形式的倾倒其对底板的增载作用减弱与底板 的卸荷作用无法相互抵消甚至在底座侧倾插底等 情况下还会发生叠加这使得底板的局部损伤变形 更为严重为滑移失稳提供了条件如图 所示 底板滑移后支架围岩系统的基础结构发生改变 更为严重的支架失稳不可避免如图 所示 图 支架底板系统失稳 “”系统稳定性关键控制因素 分析 大倾角松软煤层综放采场的“”系统 失稳具有时序性顶煤和煤壁首先破坏而后引起支 架失稳最后波及底板 控制系统的稳定性首要在 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 于控制顶煤及煤壁的破坏不至于引发支架严重失 稳只要支架能保证正常位态、受载就能有效控制 底板破坏滑移 所以“”系统稳定性的关 键控制因素在于顶煤和煤壁 . 支架围岩系统受力分析 沿走向顶板压力 由煤壁、支架及后方垮落 矸石所组成的支撑系统承担为便于计算近似认为 该系统为刚性系统设系统的总刚度为 煤壁、支 架、垮落矸石的刚度分别为 、、如图 所示 则有 各部分分担的顶板压力随其自身的刚度大小分 配则有煤壁所承受的顶板压力 为 支架承受的顶板压力采空区矸石承受的顶板压力 图 支架围岩系统力学模型 大倾角工作面沿倾斜方向直接顶冒落高度不 一中上部区域冒高最大下部相对较小 冒落矸石 在自重作用下不能原地停留将沿采空区底板向下 部空间发生滑滚导致沿采空区倾斜方向垮落矸石 呈现出“下实、中满、上空”的非均匀充填特征进而 使倾斜方向不同部位的垮落矸石对顶板产生非均衡 约束作用如图 所示 图 顶板矸石非均衡约束模型 图中、、、为倾斜方向不同部位受到 的顶板的总压力、、、分别为倾斜方向不 同区域垮落矸石的刚度刚度值正相关于垮落矸石 的充填密度倾斜中上部冒落空间最充分矸石充填 密度最低由此推断 设倾斜各区域顶板压力 相等则联立式、 式可得煤壁端承受的顶板压力 的大小关 系为 考虑到实际情况倾斜方向顶板运动的活跃程 度不一倾斜中上部顶板运动最为活跃中部次之、 下部最弱顶板压力大小关系为 式中煤壁端受力与顶板压力的大小关系一 致不同的是各部位压力差异的程度有所加剧 因此在大倾角软煤综放采场顶板压力总体呈 “下部最小中部次之上部再次之中上部最大”的 区化特征 同时由于顶煤松散破碎顶煤漏冒后本 应由顶煤支架系统承担的压力易向煤壁前方转 移加剧煤壁的破坏且煤壁的破坏以倾斜中上部为 甚 这表明控制“”系统稳定的前提在于 保证“顶煤支架”系统的完整性与承载能力且重 点控制的部位应位于倾斜中上部区域 . 煤壁失稳机理 煤壁在顶板压力作用下主要表现为 种破坏 形式一种是拉裂破坏一种是剪切破坏相对软煤 而言破坏形式以剪切破坏为主 煤壁在三维 空间的破坏形态如图 所示 图 煤壁三维空间受力模型 沿倾斜剖面将煤壁划分为若干条块在煤壁端 顶板压力 作用下各条块煤体发生剪切破坏并产 生剪切面随着压力持续增大各条块的剪切面相互 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 郭 峰等大倾角软煤综放采场支架围岩系统失稳研究 年第 期 贯通形成一个接近圆弧状的剪切滑移面 若 此时在顶板压力作用下煤体内部的弱面 以及 发生进一步破坏失去黏滞作用则为煤体的滑 移提供了条件 特别是在大倾角工作面由于伪斜 角度的存在使得煤体重力沿自由空间方向产生分 力加速煤体滑移 最终煤体在顶板压力及自身重 力的复合作用下向工作面自由空间发生复合运动造 成片帮片帮形态近似于弧面状三角楔形体 沿真倾斜方向建立空间坐标系对滑移面 以及 进行受力分析如图 所示 、面 和面 的重力、、在沿各自平面竖直 方向的分力、剪切面上受到的法向应力、 面和 面受到的滑动力、面 与面 的剪切滑移角煤层倾角 重力垂直方向与面 的夹角与工作面伪斜角度等值 和面 在面 上的夹角 图 煤壁滑移破坏分析 当面 受到的滑动力 时煤体将沿 方向发生滑动即 其中 将式、式代入式得 同理在面 上若 则煤体将沿 方向发生滑动其中 为煤体 的黏聚力 为煤体的内摩擦角 如图 所示当块体 两个滑移面上的下 滑力 、均大于零时块体将发生滑动并片帮在 空间内矢量 与 的合矢量 即煤体在空间内的复 合受力煤体将沿合力方向发生滑动 由平行四边 形定则可知下滑煤体受到的合力 的大小为 由摩尔库仑理论可知煤壁的剪切滑移角为 将式、式与式、式进行联立分 析可以得到煤壁端受到的顶板压力越大滑移块体 受到的滑动力也随之增大易发生滑移破坏 由于 工作面倾斜中上部煤壁受顶板压力最大因此该处 也是煤壁发生滑移片帮的多发区域 控制片帮的关 键在于对煤壁中上部加强支护同时在回采过程中 尽量采取措施保证支架前方煤壁的整体性和强度 结 论 受煤层赋存条件及开采技术影响大倾角松 软煤层综放采场的“”系统稳定性差对 系统内各因子运动变形特性的匹配耦合条件要求 高 顶煤冒漏、煤壁片帮、底板滑移、支架倾倒等局 部形式的失稳均会引起采场“”系统的链 式破坏、 “”系统中任意因子的失稳并不是 独立进行的局部区域的破坏不但会引起采场应力 向其他区域的转移同时还为相邻区域的变形破坏 提供了已成空间加剧了相邻区域的变形破坏 如 此往复形成恶性互馈的失稳机制加剧了采场的系 统性失稳乃至灾变 “”系统稳定的关键控制因素是支 架的稳定性破碎顶煤的冒漏与煤壁片帮的恶性互 馈易导致支架倾倒引发系统失稳 保证支架稳定 的关键在于提高顶煤支架组合体的刚度对前方煤 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 壁中上部加强支护尽量避免工程扰动对煤壁完整 性及强度的影响 参考文献 王红伟伍永平曹沛沛等.大倾角煤层开采大型三维可加载 相似模拟实验.煤炭学报. . . . 王金安张基伟高小明等.大倾角厚煤层长壁综放开采基本 顶破断模式及演化过程周期破断.煤炭学报 . . . . 赵洪亮袁永张琳.大倾角松软煤层综放面矿压规律及 控制.采矿与安全工程学报. . . . 伍永平.大倾角煤层开采“”系统动力学控制基础研究 .西安陕西科学技术出版社. 伍永平.大倾角煤层开采“顶板支护底板”系统稳定性及动 力学模型.煤炭学报. . “ ” . . 解盘石伍永平王红伟等.大倾角煤层长壁采场倾斜砌体结 构与支架稳定性分析.煤炭学报. . . . 王树人王金安戴涌.大倾角厚煤层综放开采顶煤运移规 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