大倾角煤层开采倾向砌体结构稳定性分析

刘军生，王 东

（陕西煤业化工集团孙家岔龙华矿业有限公司，陕西 神木 719315）

0 引言

大倾角煤层是指埋藏倾角为35°～55°的煤层，是国内外采矿界公认的复杂难采煤层，广泛分布于我国各大矿区，已探明储量约为1 800～3 600亿t，产量约为1.5～3亿t，分别占全国储量和产量的10%～20%和5%～8%。近年来，随着我国经济的发展以及对煤炭资源需求的增加，大倾角煤层的安全、高产、高效开采技术必然会受到人们越来越多的重视。针对大倾角煤层开采覆岩结构及其稳定性特征的问题，通过大量科学研究与工程实践表明［1-3］，大倾角煤层开采，与近水平及缓倾斜煤层围岩变形破坏不同，大倾角围岩破坏具有特殊特征，并总结分析了采场空间的变形、破坏和运移规律，但大倾角工作面围岩灾害事故频发，还得对空间围岩结构受力特征等进一步细化并做科学研究。

针对上述问题，在分析大倾角倾向砌体结构的基础上，建立倾向砌体结构的力学模型，对倾向铰接岩块进行力学与理论分析，研究各铰接点处的受力情况。

1 覆岩倾向砌体结构

在大倾角煤层走向长壁开采过程中，上覆岩层在自身重力作用下出现裂缝，与此同时，工作面的继续推进使裂缝沿工作面延伸、扩展，出现离层现象，基本顶断裂成岩块后，形成铰结构，维持短暂的砌体梁结构的稳定平衡。当顶板岩层的极限垮落步距大于沿工作面倾斜方向的悬伸长度时，顶板岩层所受的应力超过了其自身的强度极限，继而顶板岩层出现断裂、垮落现象。由于大倾角煤层开采沿倾斜方向上力学特征的非对称性，导致了大倾角煤层基本顶破坏呈现出非对称特点。在重力沿倾斜面上的分力和垂直于倾斜面上的分力共同作用下，顶板断裂岩块和冒落后的矸石与相邻岩块之间发生挤压作用，沿倾斜方向岩块向下滑移充填，因此，根据其结构和形态受力特征，称之为倾向砌体结构，倾向砌体结构存在的形式有倾向堆砌结构和反倾向堆砌结构［4］。倾向砌体结构，沿工作面倾斜方向按照岩块运移的活跃度可分为岩块活跃区、岩块过渡区、岩块稳定区。岩块活跃区一般发生在倾斜中上部区域，岩块过渡区发生在倾斜中下部区域，岩块稳定区发生在倾斜下部区域，如图1所示。

图1 大倾角倾向覆岩破坏特征

2 倾向砌体结构稳定性分析

根据工作面倾向砌体结构的力学特征，在不同区域内倾向砌体结构的受力特征和约束条件各不相同，假设砌体结构岩块间的回转是刚性的，忽略其弹性变形，岩块沿倾向方向长度不同，但沿工作面走向长度基本一致，并且岩块间的厚度相同［5-8］。工作面基本顶岩板断裂后，倾向砌体结构模型可简化为沿工作面倾斜方向上形成3个断裂岩块，建立如图2所示的倾向砌体结构模型。

图2 大倾角覆岩倾向砌体结构

根据大倾角煤层长壁开采覆岩顶板沿倾向运移垮落结构特征以及顶板力学特征受力状态可知，倾向砌体结构所受载荷和约束条件不同，垮落岩块会受到冒落矸石的支撑力、岩块间的剪切力以及岩块间互相挤压推力等作用。因此，对A、B、C，3个断裂岩块进行受力状态分析，列出其平衡方程见式（1）。岩块A受力状态如图3所示。

图3 岩块A受力分析

式中：θ1—岩块A的回转角度；G1—岩块的自重及其承担的载荷；FS—矸石对岩块A的支撑力；L1—岩块A沿倾向断裂的长度；T1、T2、F1、F2—岩块铰接点处的剪切力和挤压推力。岩块B受力状态如图4所示。

图4 岩块B受力分析

式中：θ2—岩块C的回转角度；G3—岩块的自重及其承担的载荷；L3—岩块C沿倾向断裂的长度；T3、T4、F3、F4—岩块铰接点处的剪切力和挤压推力。

图5 岩块C受力分析

联立（1），（2），（3）式可得

3 倾向砌体结构岩体失稳模式

大倾角煤层开采倾向砌体结构在自身重力G1、挤压推力Ti以及剪切力Fi等作用下，存在挤压变形失稳和滑落失稳两种失稳模式。

3.1 挤压变形失稳

通过上面对倾向砌体结构的受力分析，根据（4）式可知，大倾角煤层开采倾向砌体结构挤压推力，T1＞T2＞T3＞T4，即铰接岩块间的挤压推力沿工作面倾斜方向由上往下依次增大。在重力Gi，挤压推力T1的作用下，A岩块的铰接点1进入塑性状态，进而倾向砌体结构就会发生挤压变形失稳，随之B、C岩块的铰接点2、3依次进入塑性状态，发生挤压变形失稳，导致整个倾向砌体结构发生挤压变形失稳。因此，工作面倾斜方向下端处所受的挤压强度应该大于其接触面上的平均挤压应力，才能保持砌体结构稳定，必须满足条件，即

式中：T1—工作面倾斜下端处的挤压力；S—工作面下端处接触面的面积，m2；η—岩块铰接端处的挤压系数，根据参考文献［9］的大量测定，可取η=0.3；σc—岩块铰接端处的挤压强度，MPa。

3.2 滑落失稳

通过上面对倾向砌体结构的受力分析，根据（4）式可知，大倾角煤层开采倾向砌体结构剪力，F2＞F4＞F1，F2＞F4＞F3，即岩块铰接点2处的剪切力最大，最有可能发生滑落失稳，铰接点1、3处的剪切力大小不明确［10-11］。因此，为防止倾向砌体结构在铰接点2处发生滑落失稳，岩块铰接点2处的挤压推力应该大于其所受的剪切力，必须满足条件，即

式中：tgφ—岩块间的摩擦系数，一般可取0.3。

4 结论

（1）大倾角煤层走向长壁开采时，沿倾斜方向岩块易形成倾向砌体结构，且倾斜方向不同区域岩块运移的活跃度不同，自上而下可分为岩块活跃区、过渡区、稳定区，倾向砌体结构是大倾角煤层长壁采场顶板倾向破坏结构的主要特征。

（2）根据倾向砌体结构形成的特征，建立了倾向砌体结构的力学模型，并进行了受力分析和稳定性分析，给出了倾向砌体结构失稳形式，主要以挤压变形失稳和滑落失稳为主，针对性地提出了倾向砌体结构稳定性的必要条件。