基于梁式破断理论的厚煤层坚硬顶板破断机理分析

耿春雷

(晋煤集团晟泰公司，山西 晋城 048000)

引 言

当采空区推进距离逐渐变大时，悬露顶板面积加大，在自重状态下，顶板会发生弯曲，岩层内部产生大范围的裂缝，且裂缝不断扩展，关键层垮落。由于岩石的抗拉强度远小于其抗压强度[1-2]，所以顶板很容易被拉断，发生垮落，产生峰值载荷。如果上覆岩层强度较高，那么，只有当采空区面积较大时，顶板才发生垮落，而单体液压支柱支承的压力较小，难以抵抗顶板的大面积冲击。本文采用理论分析的方法对山西某矿4-2号厚煤层工作面坚硬顶板的预裂爆破技术进行研究，从而为煤层的开采提供了科学依据。

1 煤层概况

4-2号煤层位于4-1号煤层之下，从北向南距4-1号煤的距离逐渐变大。4-2号煤层厚度在5.12 m～5.92 m，平均厚度为5.62 m，含2层～3层夹矸，属于稳定型厚煤层，煤体结构较为复杂，全井田可采。4-1号和4-2号未合并区煤层采用走向长壁综放式开采。4-1号和4-2号合并区厚度大， 设计采用综放分层开采工艺。本文所研究的坚硬顶板预裂爆破技术进行4-2号煤层单独开采区域，且距4-1号煤层的距离大。

2 坚硬顶板垮落步距分析

随着工作面的不断推进，坚硬顶板较难及时垮落故悬露范围越来越大，而悬露顶板的两端都有前、后煤柱作为支撑体，则可视作平面应变问题。

顶板初次来压时，依据坚硬顶板的受力特点，可将顶板简化为两端受关键垫层支撑、上部受均布载荷作用的连续介质梁[3]。简化后的力学模型示意图见图1所示。

图1 初次来压坚硬顶板力学模型示意图

垫层对坚硬顶板的支撑力可用公式(1)计算。

P=-ky

(1)

式中：P为垫层对坚硬顶板的支撑力，kN；k为地基系数，kN/mm；y为梁的挠度，mm。

地基系数可用公式(2)计算。

(2)

式中：E0为关键垫层的杨氏模量，GPa；h0为关键垫层的厚度，m。

由图1可以看出，坚硬顶板的受力关于其中心位置对称，故为了简便分析，取连续介质梁的一半进行研究。简化后的计算模型见图2所示。

图2 初次来压坚硬顶板计算模型示意图

根据图2以及材料力学理论可得公式(3)以及公式(4)。

(3)

M=EIy″

(4)

当考虑弹性地基基础时，弯矩M可用公式(5)和公式(6)计算。

当-l≤x≤0时，

M=q[0.5x2+lx+0.5(1-2α)l2]

(5)

当x>0时，

(6)

对于岩石来说，其抗拉强度一般只有抗压强度的1/20～1/10，当弯矩达到极大值时，可得到梁的跨断位置。

设顶板极限初次垮落步距为L初次，则可得公式(7)。

L初次=2(l+x2)

(7)

当分析力学模型时不考虑弹性地基基础时，则坚硬顶板在两头固定端位置发生破断失稳。此时：

Mmax=ql2/3

则，可得公式(8)。

(8)

故由此得到的顶板极限初次垮落步距为：

当坚硬顶板初次垮落后，可将顶板简化为悬臂梁结构，该结构下部受到采场支架的支撑作用，上部依然受到均布载荷作用。简化后的坚硬顶板计算模型见图3所示。

由于顶板的悬露范围远大于采场支架的支撑宽度，故在计算坚硬顶板的周期垮落步距时只需要考虑图3中的CD段顶板弯矩。CD段顶板弯矩通过公式(9)计算。

M=0.5q(l+l支架-x)2

(9)

图3 周期来压坚硬顶板计算模型示意图

代入公式(8)可得公式(10)。

l≤h(σc/30q)

(10)

故，由此得到的顶板极限周期垮落步距为公式(11)。

L周期=h(σc/30q)

(11)

由公式(7)和公式(11)得到4-2号煤层坚硬顶板的初次垮落步距和周期垮落步距分别为49 m和30 m。

3 坚硬顶板破断特征分析

鉴于坚硬顶板的硬度极大，强度极高，这就使得坚硬顶板的垮落步距极大，破断具有瞬时性，同时，破断顶板表现出较高的完整性，对采场很容易造成冲击矿压现象。故，需要对厚煤层坚硬顶板的破断特征进行分析。

图4表示了顶板岩层随工作面开挖而产生的破断失稳示意图，在工作面推进过程中，覆岩首先发生“O～X”破断形式，随后逐渐转化为“楔形”破断。图4中的A1、A2和A3分别表示了覆岩破断3个不同阶段的破损线。

图4 顶板破断失稳示意图

第一阶段：覆岩悬露范围随着工作面的不断推进而增大，当工作面开挖至一定距离，临近场边中部位置的覆岩开始发生破断，同时，产生A1破损线，该破损线会沿着短边扩展延伸。

第二阶段：当A1破损线扩展到一定范围，短边中间位置的覆岩也开始发生破断，并产生A2破损线，该破损线沿着边界继续发育，直到与A1破损线相互贯通，从而形成“O”破断。

第三阶段：工作面继续推进，覆岩中部位置也开始发生破断，产生A3破损线，同时，该破损线沿着A1和A2破损线形成的交点扩展，从而形成“X”破断。这就是采场覆岩破断的“O～X”形式。

在工作面推进过程中，3条破损线形成的“O～X”破断形式将覆岩破裂为4块区域，同时，顶板发生初次垮落。

顶板初次垮落后，上述分析中的3条破损线依次循环出现，顶板周期垮落。

4 结束语