综采工作面坚硬顶板垮落运动型式及碰撞摩擦特征分析

刘红星

摘 要：坚硬顶板垮落碰撞摩擦特征分析对揭示坚硬顶板垮落引燃采空区瓦斯机理具有重要的理论支撑作用。本文通过UDEC软件阐明了坚硬顶板垮落六种运动型式，建立了顶板垮落的碰撞及摩擦计算模型，结合新集二矿121109工作面条件，得到了该工作面坚硬顶板垮落碰撞时碰撞速度及摩擦时摩擦力的分布区间。研究结果表明：新集二矿121109工作面在推进过程中石英砂岩直接顶可能经历直接回转、二次回转、双向回转等垮落运动型式，且顶板垮落碰撞时碰撞速度区间理论值为2.78～8.31m/s，考虑富裕系数值为3.34～9.97m/s；顶板垮落摩擦时摩擦力区间理论值为8294.27～17325kN，考虑富裕系数值为9953.12～20790kN。

关键词：关键层；运动型式；垮落碰撞；垮落摩擦

中图分类号：TD327.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）16-0180-02

点火源是采空区瓦斯燃爆的关键原因之一，除人为明火、电火花、机械撞击摩擦火花和锚索拉断火花外，尚有一种不能被忽视的引火源—坚硬顶板垮落撞击摩擦火花[1-3]。坚硬砂岩顶板工作面回采时，采空区坚硬顶板易大面积悬空，随着采空区的扩大，悬顶易突然断裂碰撞及摩擦产生火源，从而引起采空区瓦斯爆炸燃烧事故。阳城、沁水、包头、通化等矿区均发生过由于岩石撞击摩擦火花引起的瓦斯爆炸燃烧事故[4-5]，如新集二矿121109综采工作面在回采中期过背斜构造时，在采空区背斜轴部发生了一起因顶板破碎掉落矸石摩擦引燃采空区局部瓦斯燃烧事故[6]，从而造成了严重经济损失和人员伤亡，威胁着矿区的安全生产。因此，为保障坚硬砂岩顶板工作面的安全高效生产，有必要对坚硬顶板冒落引燃采空区瓦斯机理进行相关研究，而首当其冲的就是工作面坚硬顶板垮落碰撞及摩擦的分析。

坚硬顶板由于不同的赋存条件和回采方式，其本身的破断运动型式不尽相同，引起的矿压显现规律不同，顶板垮落垮落碰撞时碰撞速度及摩擦时摩擦力的分布也有所不同。弓培林[7]等针对大采高综采工作面顶板垮落带高度大的特点，将进入垮落带顶板分为I，II，III型3种类型；许家林[8]等通过现场实测、模拟试验与理论分析就神东矿区特大采高综采工作面覆岩关键层结构形态及其对矿压显现的影响规律进行了深入研究。而根据不同顶板垮落的运动型式对垮落碰撞及摩擦进行相关分析的研究较少，因此，本文采用UDEC数值模拟的方法分析了坚硬顶板垮落的运动型式，并建立了顶板垮落的碰撞及摩擦计算模型，推演了不同运动型式碰撞时碰撞速度及摩擦时摩擦力的计算公式，最终得到了新集二矿121109工作面坚硬顶板垮落碰撞时碰撞速度及摩擦时摩擦力的分布区间，为揭示含黄铁矿厚砂岩顶板垮落碰撞摩擦引燃采空区瓦斯机理提供理论基础。

1 坚硬顶板垮落运动型式数值模拟

为了分析综采采场坚硬顶板在不同覆岩条件下的不同运动型式，采用UDEC数值模拟软件建立了6种数值模型。模型采用摩尔-库仑本构关系，模型尺寸为200m×80m，模型两端及下部采用位移边界条件进行固定，模型上部施加相应岩层重量的垂直方向均布载荷，由煤层埋深计算可知均布载荷为9.25MPa，为避免边界效应的影响，模型两端各留40m的边界保护煤柱。选择在模型中距首采线56m的关键层1中的关键块B下边界前中后设置3个观测点，记录工作面推进过程中三个观测点的垂直位移以便观测关键层的运动型式。观测点以“悬臂梁”双向回转垮落式数值模型为例，“悬臂梁”直接垮落式、“悬臂梁”二次回转垮落式、“悬臂梁-铰接”结构交替式及“砌体梁”结构的数值模型测点布置与其类似。

该运动型式主要包括4个阶段。Ⅰ阶段为关键层1破断块体B的“悬臂梁”结构；Ⅱ阶段为关键层1破断块体B回转较小角度后形成的暂时“铰接”结构；Ⅲ阶段划分为两个阶段Ⅲ1和Ⅲ2，Ⅲ1阶段为破断块体B从暂时“铰接”结构反向回转至水平状态的过程，Ⅲ2阶段为破断块体B由水平状态直接垂直下沉垮落至采空区；Ⅳ阶段为关键层1破断块体C的新“悬臂梁”结构。

2 堅硬顶板垮落运动碰撞摩擦分析

现以“悬臂梁”直接垮落式运动为例进行运动碰撞的分析，以“悬臂梁-铰接”结构交替式运动为例进行摩擦分析。可知，“悬臂梁”直接垮落式下关键块体破断失稳后直接垮落，且垮落回转空间很大，垮落回转碰撞采空区矸石瞬间易产生较大的冲击载荷，根据此运动型式可建立“悬臂梁”直接垮落式的碰撞计算模型。

关键层1“悬臂梁”待断块体破断后，从水平位置向采空区方向回转垮落触矸瞬间整个期间待断块体机械能守恒，即，由几何关系可知= ，关键层1关键块的惯性矩为，关键层1关键块开始运动时速度为0，即，关键层1关键块重量为，关键层1关键块碰撞时速度为，联立上式可解得关键层1关键块碰撞时速度v为：

关键层1“悬臂梁-铰接”结构交替式运动型式整个运动过程中关键块铰接块数逐渐增加并且与原铰接关键块一起回转下沉直至完全垮落到采空区。根据其运动型式可建立“悬臂梁-铰接”结构交替式下的摩擦计算模型取铰接的关键块、支架控制的直接顶和直接为一个整体，然后对O点取矩可得，其中，联立两式可得整个运动过程中关键块的摩擦力为：

注意到，关键层1破断形成稳定“铰接”结构时存在“砌体梁”和“短砌体梁”两种具体的运动型式，两者均存在回转失稳和滑落失稳模式，其分别对应于关键块的摩擦和碰撞失稳。因此可将两种具体运动型式合并分析，分析其回转和滑落失稳两种模式。

3 121109工作面顶板垮落碰撞摩擦分析

3.1 工作面概况

新集二矿121109工作面位于矿井一水平西翼1211采区，标高-521.5～-405.6m，面长66.3～139.1m。回采煤层为11-2煤，平均煤厚3.6m，煤层结构复杂，为非突出煤层，工作面内仅局部有伪顶，直接顶为坚硬致密的石英砂岩（含黄铁矿膜且有结核），厚度7.0m左右。受顶板岩性、大倾角及背斜叠加影响，工作面背斜轴部局部悬顶。工作面内地质构造复杂，褶曲及断层等构造发育，煤岩层产状及厚度变化较大，总体倾向NNE，倾角7～50°，褶曲发育段局部大于50°，局部煤层出现反倾。

坚硬顶板垮落以何种型式运动取决于工作面地质和开采条件，由于121109工作面地质条件复杂，褶皱和断层发育，工作面在推进过程中坚硬直接顶可能经历直接回转、二次回转、双向回转、“悬臂梁-铰接”结构交替式和稳定“铰接”结构的运动型式。

3.2 顶板垮落碰撞分析

不同垮落运动型式产生碰撞且碰撞冲击能量不同，具体表现为碰撞时速度不同。因此，应对可能发生的运动型式分别计算垮落时的碰撞速度。关键块的断裂位置不同，其垮落碰撞的速度显然不同，因此计算的速度应为一个区间。

当关键块的断裂位置和煤壁在一条直线上时，碰撞冲击速度最小为vmin；相反，当关键块的断裂位置和支架尾梁后方在一条直线时，碰撞冲击速度最大为vmax。由工作面生产条件可知，M=3.6m，h1=0.3m，KP=1.25，B=1.75m，h=7.5m， l=33m，P0=4440kN，ls=5m，硬顶板二次回转时形成的暂时角度θ一般为1°，将参数带入表3坚硬顶板垮落运动的碰撞速度计算式可分别计算得其碰撞最小和最大速度，并取1.2的富裕系数计算出考虑富裕系数的总速度分布区间。综上所述，121109工作面推進过程中坚硬顶板破断碰撞的速度分布。

3.3 顶板垮落摩擦分析

当坚硬顶板以“悬臂梁-铰接”交替运动和稳定“铰接”结构回转失稳时关键块间均相互摩擦，运动型式不同关键块间摩擦力不同，且关键块断裂位置不同其关键块间摩擦力也存在差异，因此垮落摩擦力也应为一个区间。当关键块的断裂位置和煤壁在一条直线上时，摩擦力最小为fmin；相反，当关键块的断裂位置和支架尾梁后方在一条直线时，摩擦力最大为fmax。由工作面生产条件可知，M=3.6m，h2=4.5m，B=1.75m，h=7.5m，l=33m，P0=4440kN，lk=5.2m， n一般可取2。将参数带入表3坚硬顶板垮落运动的摩擦力计算式可分别得到其碰撞最小和最大摩擦力，并取1.2的富裕系数计算出考虑富裕系数的总摩擦力分布区间。综上所述，121109工作面推进过程中坚硬顶板关键块间摩擦力分布如表1所示。

4 结语

（1）通过UDEC软件进行了坚硬顶板六种垮落运动型式的数值模拟分析，揭示了不同垮落运动型式的关键层1破断块体运动的阶段特征。（2）建立了六种顶板垮落的碰撞及摩擦计算模型，通过推算给出了各运动型式碰撞时碰撞速度及摩擦时摩擦力的计算公式。（3）计算得出121109工作面石英砂岩垮落碰撞速度区间理论值为2.78～8.31m/s，考虑富裕系数值为3.34～9.97m/s；工作面石英砂岩垮落摩擦力区间理论值为8294.27～17325kN，考虑富裕系数值为9953.12～20790kN。

参考文献

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[2]王捷帆，李文俊.中国煤矿事故暨专家点评集[M].煤炭工业出版社，2002.

[3]邬燕云.防止摩擦火花引发瓦斯煤尘事故的研究[J].中国煤炭，2002，（5）：130.

[4]姜文忠.顶板垮落岩石相互摩擦引燃引爆采空区瓦斯模拟试验研究[C].全国煤矿安全生产论坛，2006.

[5]王玉武，姜文忠，牛德文，等.岩石摩擦引燃引爆瓦斯实验研究[J].煤矿安全，2002，（12）：8-10.

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[7]弓培林，靳钟铭.大采高综采采场顶板控制力学模型研究[J].岩石力学与工程学报，2008，（1）：193-198.

[8]许家林，鞠金峰.特大采高综采面关键层结构形态及其对矿压显现的影响[J].岩石力学与工程学报，2011，（8）：1547-1556.