急倾斜煤层充填开采顶板应力分布特征研究

潘富国

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003）

急倾斜煤层比倾斜、缓倾斜煤层开采时,覆岩内的导水裂隙更容易向上部岩层扩展发育,同时当留设的防水煤柱在水压和矿压共同的作用下发生抽冒时,均增加了覆岩覆水条件下急倾斜煤层开采发生突水事故的可能[1－3]。充填开采是我国煤炭资源绿色开采的重要发展方向之一,也是确保水体下急倾斜煤层安全回采行之有效的措施[4-5]。同时,急倾斜煤层充填开采可以有效降低覆岩断裂带高度、防水煤柱塑性区范围及减小覆岩应力集中程度,能有效确保覆岩覆水条件下急倾斜煤层的安全回采[9]。

1 急倾斜煤层充填开采顶板控制力学模型

根据急倾斜煤层充填开采顶板岩梁的受力状态,急倾斜煤层开采采场下部位置受到实体煤的约束和矸石的支撑作用,顶板岩梁可视为固支支座约束,上部位置可视为简支支座约束[10]。以急倾斜煤层工作面切眼位置为坐标原点，岩层的倾斜方向和法线方向分别为x 和y 轴方向，建立急倾斜煤层充填开采时顶板控制力学模型，见图1。

考虑急倾斜煤层采深的影响， 顶板岩梁沿法线方向荷载q1的分布方程为:

式中，H0为急倾斜煤层采场顶板岩梁上部边界采深;H1为急倾斜煤层采场顶板岩梁下部边界采深;ΔΗ 为急倾斜煤层采场阶段垂高;γ 为上覆岩层容重。

急倾斜煤层充填开采顶板岩梁沿煤岩层切线方向荷载q2的分布方程为:

急倾斜煤层充填开采上覆岩层作用于顶板岩梁上部边界的切向荷载P 为:

2 急倾斜煤层充填开采顶板应力分布特征

2.1理论分析

在小变形条件下,急倾斜煤层充填开采顶板岩梁的应力分布大小符合叠加原理,将急倾斜煤层充填开采时顶板岩梁受力分解为不同荷载作用时的悬臂梁结构来分析。

1）悬臂梁自由端受集中荷载作用

采场顶板岩梁上端在防水煤柱的支撑作用下，急倾斜煤层开采顶板岩梁可视为悬臂梁自由端受集中荷载的作用，见图2。

根据弹性力学的知识[11-12],可以求出急倾斜煤层开采悬臂梁在自由端受集中力的作用时,顶板岩梁内的应力分布形式为:

式中,h 为急倾斜煤层顶板岩梁厚度。

2）悬臂梁受均布荷载作用

将急倾斜煤层沿顶板岩梁垂直层面的法向应力q1分解为均布荷载q3和线性荷载q4。同时将q3与q0共同作用于顶板进行分析，见图3。

在均布荷载作用下,急倾斜煤层充填开采顶板岩梁应力分布的形式为:

3） 悬臂梁受线性分布荷载作用

急倾斜煤层开采顶板岩梁在仅受线性荷载q4作用下的受力状态，见图4。

在线性荷载作用下,急倾斜煤层充填开采顶板岩梁的应力分布形式为:

4)悬臂梁受切向荷载的作用

急倾斜煤层在顶板岩梁沿煤层切线方向荷载和覆岩作用于采场上部边界的切向荷载的共同作用下的受力状态,见图5。

在切向荷载的作用下，急倾斜煤层开采顶板岩梁的应力大小分别为：

急倾斜煤层充填开采顶板岩梁的应力大小为不同荷载作用下的应力大小之和,因此可以求出急倾斜煤层充填开采顶板岩梁的应力大小，见(8)式。

从上式中可知,急倾斜煤层充填开采随着充填体对采场顶板支撑荷载q0的增大,顶板岩梁内的法向应力σx、切向应力σy和剪切应力σxy均呈降低趋势。

2.2数值分析

采用离散元UDEC 数值分析，得出急倾斜煤层采空区充填和不充填不同顶板控制条件时，顶板岩梁内的法向应力、剪切应力和切向应力分布特征,见图6,图7。

从图中可知，当急倾斜煤层采空区充填和不充填控顶方式不同时，顶板岩梁内法向应力数值分别为12.86 MPa 和10.61 MPa；切向应力数值分别为5.93 MPa 和3.65 MPa；剪切应力数值分别为3.25 MPa 和1.02 MPa。因此，充填开采可以有效降低急倾斜煤层顶板岩梁内应力大小。

3 充填开采对顶板岩梁破断形式的影响

急倾斜煤层开采顶板岩梁的应力分布状态与其厚度、采深、采空区处理方法等密切相关。因此，急倾斜煤层开采顶板岩梁的变形、破断方式也较为复杂， 主要可分为以下三种情况[13-14]：

1) 在覆岩垂直层面法向应力的作用下， 急倾斜煤层顶板岩梁弯曲变形发生受拉破坏;

2) 急倾斜煤层顶板岩梁上端位置在防水煤柱支撑力的作用下， 受剪切应力易产生剪切破断;

3) 在覆岩沿层面切向应力的作用下， 当急倾斜煤层直接顶较软弱时， 易产生切向整体滑移。

根据上述结构力学理论分析和离散元数值计算结果,急倾斜煤层采空区充填开采可以有效降低顶板岩梁内的法向应力、切向应力和剪切应力分布大小,则急倾斜煤层充填开采可以进一步有效防止顶板岩梁产生受拉破坏、切向滑移以及剪切破断。急倾斜煤层开采顶板岩梁破断往往是上述荷载的综合作用。因此，急倾斜煤层采空区充填可以有效防止顶板岩梁的破断，确保采场顶板围岩稳定和阻止覆岩导水裂隙的向上扩展，进而有利于在覆岩充水条件下急倾斜煤层的安全开采。

4 水体下急倾斜煤层充填开采现场应用

黑龙江龙煤集团七台河分公司龙湖煤矿南二采区有8 层可采急倾斜薄煤层,煤厚平均0.7m。由于在急倾斜煤层上方存在部分未封闭井口的老窑空区，且在其井巷内充满积水，同时，与季节性河流贯通形成水力联系，导致龙湖煤矿急斜煤层开采时存在较为严重的隐患[15]。48#煤设计了分带仰斜矸石充填采煤方法,同时,采用水泥-水玻璃浆液对矸石充填体进行注浆胶结顶板控制,其急倾斜煤层矸石充填注浆胶结效果,见图8。

从图中可知,急倾斜煤层采空区矸石充填注浆胶结状态密实,矸石胶结带与顶板之间没有间隙。因此,充填开采可以有效防止顶板岩梁的破断,抑制采场上覆岩层导水裂隙的扩展发育,进而确保水体下急倾斜煤层的安全回采。

5 结论

急倾斜煤层充填开采改变了顶板岩梁的应力分布特征,进而影响了顶板岩梁的变形破断方式。同时,充填开采限制了急倾斜煤层顶板向采空区自由空间的运动趋势,阻止了覆岩导水裂隙的向上扩展发育,有利于水体下急倾斜煤层的安全开采。同时,采用矸石充填技术,可以节省提升、运输费用,降低矸石山堆放及占地面积,保护生态环境,为龙湖煤矿的安全高效生产提供了重要保障。

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