块体理论在坚硬特厚煤层综放开采中的应用探索

赵铁林，王恩鹏，解兴智

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013; 2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)



块体理论在坚硬特厚煤层综放开采中的应用探索

赵铁林1，2，王恩鹏1，2，解兴智1，2

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013; 2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

［摘要］坚硬特厚煤层采用综放开采时，顶煤受到节理裂隙面的截割，将形成相互耦合的块体，当顶煤下方形成临空面时，部分顶煤块体将首先出现垮落。针对此情况，结合现场钻孔窥视运用块体理论研究方法，分析顶煤体受到的截割状况。从块体沿着单一节理面的垮落和双节理面的垮落类型出发，分析其运动关系和动力关系，得到块体滑动垮落与节理面内摩擦角，及其与滑动垮落方向的关系式，为坚硬特厚煤层顶煤垮落分析提供新的研究角度。

［关键词］块体理论;坚硬煤层;特厚煤层;综放开采

［引用格式］赵铁林，王恩鹏，解兴智.块体理论在坚硬特厚煤层综放开采中的应用探索［J］.煤矿开采，2015，20 (2) : 13－15.

我国榆阳地区分布着煤质优良、埋藏浅、煤体硬度大、节理裂隙不发育、厚度变化大的3号煤层，主采3号煤层的矿井有千树塔煤矿、麻黄梁煤矿、柳巷煤矿、双山煤矿、杭来湾煤矿等，大部分煤矿平均埋深在200m以内，煤层单轴抗压强度均大于25MPa，煤层厚度在10m左右。为了实现高产高效安全开采，矿井采用了综合机械化放顶煤采煤法。但由于煤层坚硬，顶煤难以垮落、在不采取弱化措施时难以保障顶煤采出率。针对这个问题，运用块体理论的相关知识［1－4］，对顶煤的冒放结构进行分析，为改善顶煤冒放性提供理论参考。

1　矿井条件概况

以千树塔煤矿为应用对象进行现场观测，千树塔煤矿主采3号煤层，首采11301综放工作面埋深171m左右，煤层厚度平均10.61m，赋存稳定，平均倾角0.6°，工作面设计长度150m，采煤机割煤高度4m，放煤高度6.61m，采放比1∶1.65。为了准确地得到坚硬特厚煤层顶煤节理面的分布情况，在工作面架间垂直顶煤和相交顶煤一定夹角向上打钻。在同一个架间连续打4次垂直钻孔，推进2刀之后打倾斜孔，钻孔最终分布如图1所示，钻孔编号为1，2，3，4，5，6，其中5号钻孔与水平面夹角为30°，6号钻孔与水平面夹角为45°。

通过钻孔，运用钻孔电视仪对节理裂隙进行成像分析，并对图像进行素描，得到大致的节理面走向和倾向，分析结果如表1所示(倾角α是节理面法向向量与z轴正向的夹角，倾向斜β是节理面法向向量在xoy平面内的投影与y轴的夹角)。

2　顶煤冒放块体坐标系的建立

块体理论是用于分析岩土工程稳定性问题，在岩石边坡工程、地下洞室、隧道等领域得到了广泛应用，坚硬特厚煤层在采用综放开采时，由于其顶煤单轴抗压强度较大，在矿山压力和支架的支撑作用下，顶煤难以发生充分破碎，很容易形成相互铰接的块体结构。

图1　顶煤钻孔示意

表1　综放工作面顶煤节理面参数

对坚硬煤层综放工作面顶煤进行分析可知:当支架前移后顶煤体处于临空自由状态，沿着临空面建立三维空间直角坐标系和球坐标系，见图2。

图2　顶煤体三维直角坐标和球坐标系

综放工作面开切眼形成时，开切眼处顶煤体受到支护，没有实际意义上的临空自由面。当工作面推进一段距离后，支架后方顶煤暴露范围逐渐加大，在矿山压力、支架反复支撑及煤体自身重力作用下，顶煤体内产生不同产状节理裂隙面，这些节理裂隙面将顶煤体切割成相互铰接的不同块体。

实测得到如图3所示的节理面将支架上方及后方顶煤切割成几个块体，平行于工作面方向，有6个节理面，垂直于工作面方向有2个节理面，从临空面至顶煤深处，大致有如图3所示的几个块体，块体编号与块体垮落顺序没有直接关系。从分析靠近临空面的块体Ⅰ出发，研究顶煤块体稳定性规律。包围块体Ⅰ的节理面参数见表1。各个节理面z方向的法向量的坐标(xi，yi，zi)，即:= (0，－0.98，0.17)，= (－0.25，－0.43，0.87)，= (0，－0.87，0.5)，= (0.99，0，0.09)。

图3　顶煤体节理面投影

3　顶煤块体的运动学分析

根据块体理论的相关定理，视节理裂隙面不具有抗拉强度，可动块体的运动形式有3种:直接掉落、沿单节理面滑动和沿双节理面滑动［6］。在顶煤的实际破裂垮落过程中，顶煤块体可能沿着多节理面滑动或者垮落，也有可能发生剪切破断，本文从简化的块体运动特征出发，分析顶煤块体简单的运动形式。

促使顶煤块体Ⅰ下落的主动力包括重力和矿山压力，但其主动合力方向不定，方向向量与z轴有夹角。顶煤块体Ⅰ可以沿着节理面1，2，7，8中的任一个运动垮落或者相邻两个节理面运动垮落。设顶煤块体受到的主动力合力方向坐标为(xi，yi，zi)，当zi≥0时，块体不会发生下落，因此zi的值小于0。不考虑矿山压力的作用，则主动力方向为(0，0，－1)，得到顶煤块体Ⅰ沿着单一节理面运动下落和沿着2个节理面运动下落的方向向量为:

4　顶煤块体的动力学分析

顶煤由节理面切割成不同产状的块体，以顶煤块体Ⅰ为对象，对其进行受力分析［1，5－6］。顶煤块体Ⅰ受力如图4所示。

图4　顶煤块体受力分析

(1)若顶煤块体Ⅰ沿着单一节理面i接触垮落，则T = Nitanφi，由平衡方程推理得出:

(2)若顶煤块体Ⅰ沿着节理面当中的两个面滑落时，T = Nitanφi+ Njtanφj，Ni≥0，Nj≥0，由平衡方程推得:

顶煤块体受到重力和矿山压力的作用，简化矿山压力，视块体Ⅰ下落的主动力只有重力，则x = 0，y =0，z =－1，带入(1)式和(2)式得到: F1= 0.98－tanφ1; F2= 0.5－0.86tanφ2; F7= 0.86 + tanφ7; F8= 0.99; F12= 0.36－0.25tanφ1－0.85tanφ2; F17=－0.47tanφ1－0.53tanφ7; F18=－0.51tanφ1; F27= 0.18－0.68tanφ2－0.3tanφ7; F28= 0.5－1.16tanφ2－0.3tanφ8; F78= 0.65－ 0.57tanφ7。得到虚平衡力与节理面摩擦角的关系，通过实验室试验得到千树塔煤矿3号煤层内摩擦角为34°，近似将各个节理面的内摩擦角视为等于煤体的内摩擦角，所以tanφi= tan34°= 0.67 (i =1，2，7，8)，带入得到各个F值，如下所示: F1= 0.31; F2=－0.08; F7= 1.53; F8= 0.99; F12=－0.377; F17=－0.67; F18=－0.34; F27=－0.48; F28=－0.48; F78= 0.27。

综合上述分析，只有F1，F7，F8，F78大于零，块体Ⅰ将沿着节理面1，7，8或者同时沿着两个节理面7和8滑动垮落。

5　结论

(1)由运动学分析得知，顶煤块体沿着节理面7垮落运动，或者沿着节理面2和7的交线、节理面7和8的交线垮落运动，但是都朝向y轴负方向，即朝着支架方向垮落，说明此节理面截割顶煤利于顶煤的冒落回收。

(2)由动力学分析得知，顶煤块体可能沿着节理面1，7和8发生垮落，或者同时沿着节理面7和8发生垮落。

(3)应用块体理论相关知识分析千树塔煤矿坚硬特厚煤层顶煤块体结构，得到顶煤块体可能发生垮落的方向，及初采期间顶煤块体垮落与其内摩擦角的关系。

［参考文献］

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［6］于海湧.机械化放顶煤工作面顶煤破碎机理及放煤规律［D］.北京:中国矿业大学，1989.

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［9］朱涛，张百胜，冯国瑞，等.极近距离煤层下层煤采场顶板结构与控制［J］.煤炭学报，2010，35 (2) : 190－193.

［责任编辑:于海湧］

地质与勘测

Application of Block Theory in Full-mechanized Caving Mining in Hard and Extremely-thick Coal-seam

ZHAO Tie-lin1，2，WANG En-peng1，2，XIE Xing-zhi1，2

(1.Coal Mining＆Designing Research Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China;
2.Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract:In full-mechanized caving mining hard and extremely-thick coal-seam，top-coal was cut by joints and fissure and would form blocks which were interconnected.When free face occurred under top-coal，part top-coal blocks would firstly cave.Applying block theory and bore-hole imaging，cut status of top-coal was analyzed.The movement and dynamics relationship of blocks was analyzed from the form of block caving along single-joint and double-joint.Internal frictional angle of joint and the relational expression of the angle and slide direction was obtained，which provided new research view for top-coal caving in hard and extremely-thick coal-seam.

Keywords:block theory; hard coal-seam; extremely-thick coalseam; full-mechanized caving mining

［作者简介］赵铁林(1990－)，男，江苏连云港人，硕士研究生，研究方向为矿山压力与岩层控制。

［基金项目］天地科技股份有限公司科技创新基金项目:新疆巨厚煤层高强度开采关键技术研究(KJ－2014－TDKC－04) ;天地科技股份有限公司开采设计事业部青年创新基金项目:浅埋煤层综放工作面坚硬顶煤弱化技术研究(KCSJ－QNCX－2014－07)

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.004

［收稿日期］2014－10－18

［中图分类号］TD821

［文献标识码］A

［文章编号］1006-6225 (2015) 02-0013-03