工作面开采煤壁超前支承应力演化规律分析与计算

工作面开采煤壁超前支承应力演化规律分析与计算崔立军;王国瑞【摘要】基于极限平衡理论和煤体的极限承载能力，推导出了工作面煤壁超前支承应力影响范围的表达式.以此为出发点，分别对工作面开采阶段覆岩层中关键层破断前后煤壁超前支承应力演化规律进行了分析与计算.通过理论计算分析和实际工程验证结果表明，上覆岩层中关键层破断后，其工作面煤壁超前支承应力的峰值大小和影响范围较关键层破断前小.【期刊名称】《煤矿安全》【年(卷)，期】2018(049)006【总页数】4页(P225-228)【关键词】超前支承应力;关键层破断;集中系数;影响范围;矿山压力【作者】崔立军;王国瑞【作者单位】内蒙古煤炭科学研究院有限责任公司，内蒙古呼和浩特010010;内蒙古煤炭科学研究院有限责任公司，内蒙古呼和浩特010010【正文语种】中文【中图分类】TD323煤矿开采过程中，当煤层上覆岩层中存在厚硬关键层时，开采弓I起的大面积采空区悬顶将会诱发覆岩层中的厚硬关键层突然破断释放能量，进而导致一系列动态灾害频繁发生，严重制约煤矿的安全生产［1-2］。叶立平和李红等分别建立了超前支承压力模型，并进行了相应的理论分析；蒋金泉和刘金海等基于弹性力学的极限平衡理论和岩石力学的摩尔库伦理论对超前支承压力进行了分析。然而，以往对于超前支承压力的研究受限于上覆岩层的高度，而且对于工作面高位厚硬岩层破断前后超前支承压力的峰值和影响范围鲜有研究［3-5］。1超前支承应力分析与计算基于采矿理论研究的日臻成熟和现场监测手段的日益丰富，使得科研工作者对于工作面煤壁超前支承应力的分布有了统一的认知［6］。基于极限平衡理论和煤体的极限承载能力［7-9］，工作面煤壁超前支承应力的计算模型如图1。图1工作面煤壁超前支承压力计算模型图1中，p为上覆岩层的平均密度；H为煤层的埋深；h为工作面开采高度；k为最大应力集中系数；xp为I区宽度；xe为II区宽度。1.1塑性区分析与计算工作面煤壁前方超前支承应力影响范围内，取塑性区内一单元体A,塑性区及弹性区内单元体应力状态如图2。图2塑性区及弹性区内单元体应力状态由图2(a)可知，该单元体宽为dx，高为h。该单元体在极限平衡状态下受到垂直应力oy、水平应力ox和煤岩体交界面处的滑动摩擦阻力F的作用而处于平衡状态，平衡方程为：式中：f为煤岩交界面滑动摩擦系数。根据Mohr-Coulomb准则可知，塑性区内煤体单元A，其主应力满足下式：式中：。1为最大主应力；。3为最小主应力；kp=；^为煤体的内摩擦角；oc为煤体的单轴抗压强度。当不存在褶曲等复杂地质构造时，可以近似的认为oy=o1.ox=o3,则根据式（3）可求得：将式（3）代入式（1），并根据塑性区边界条件oy|x=xp=kpgH,则可计算出塑性区的支承应力表达式为：式中。根据塑性区另一边界条件，则可由式（4）计算出塑性区的宽度xp为：式中：o*c为煤体单轴压缩的残余强度。1.2弹性区分析与计算工作面煤壁前方超前支承应力影响范围内，取弹性区内一单元体B,如图2（b）。同理可求得该单元体的平衡方程为：在弹性区内垂直应力oy和水平应力。x满足式（8）：式中：入为侧压系数。将式（8）代入式（7）,并根据弹性区边界条件oy|x=xp=kpgH,可求得弹性区内支承应力表达式为：式中。根据弹性区内另一边界条件oy|x=xp+xe=pgH,可由式（9）计算出弹性区的宽度xe为：联系式（6）和式（10）即可求出工作面煤壁超前支承应力影响范围xi为：2关键层破断前后超前支承应力计算与分析2.1关键层破断前超前支承应力分析通过前述分析与计算，可以推导出工作面煤壁超前支承应力影响范围的计算表达式。但是在实际煤层开采过程中，不仅要考虑煤体自身的极限承载能力，还要结合实际地质条件考虑煤层覆岩中关键层破断前后对煤体施加的应力载荷效应。在工作面回采初期，随着工作面的回采采空区范围不断的扩大，当覆岩中关键层达到极限破断步距之前，未破断时其对煤体施加的载荷效应力学模型如图3。图3关键层破断前超前支承应力计算模型由图3可知，以采空区中间为对称轴对煤层上覆岩层的载荷效应进行对称性分析，以对称轴为基线建立xoy坐标系。上覆岩层对煤体的载荷效应可以分为2部分，其中I区域内的覆岩层的载荷效应主要由关键层主导，II区域内的覆岩层的载荷效应由关键层下方的软弱岩层主导。由于II区域内的覆岩层破断后受采空区冒落砰石的支撑作用而几乎不发生回转。基于上述力学简化分析，采用结构载荷法可计算出关键层破断前工作面煤壁超前支承应力满足下式：式中：l1为亚关键层周期破断步距」为厚硬关键层的极限破断步距；工作面埋深H=h+Zh1+Zh2+h2+Zh3+h3;a为岩层破断角。由于工作面煤壁超前支承应力由煤体自身的极限承载能力和覆岩层的载荷效应叠加作用所决定，满足式（13）:式中：k1为覆岩关键层破断前超前支承应力集中系数。将式（6）、式（10）和代（12）入式（13）中，可计算求出覆岩关键层破断前的应力集中系数k1为：式中：Wm（x）为LambertW复变函数中的W-1（x）段，在其变量定义域内单调递减。2.2关键层破断后超前支承应力分析随着工作面采空区范围不断的扩大，当覆岩中关键层达到其极限破断步距而发生破断时，其对煤体施加的载荷效应力学模型如图4。图4关键层破断后超前支承应力计算模型由图4可知，同样以采空区中间为对称轴对煤层上覆岩层的载荷效应进行对称性分析，以对称轴为基线建立xoy坐标系。上覆岩层对煤体的载荷效应可以分为2部分，其中I区域内的覆岩层直接对煤体施加载荷，II区域内的覆岩层由亚关键层周期性来压破断的岩体、主关键层初次来压破断的岩体和它们所承载的软弱岩层所。同样采用结构载荷法可计算出关键层破断后工作面煤壁超前支承应力满足式（15）：由于工作面煤壁超前支承应力由煤体自身的极限承载能力和覆岩层的载荷效应叠加作用所决定，满足式（16）：k2为覆岩关键层破断后超前支承应力集中系数。将式（6）、式（10）和式（15）代入式（16）中，可计算求出覆岩关键层破断后的应力集中系数k2为：3关键层破断前后超前支承应力对比分析通过式（14）和式（17）可计算出关键层破断前后工作面煤壁超前支承应力峰值同理可计算出关键层破断前后工作面煤壁超前支承应力范围差M为：由于Wm（x）在其定义域内单调递减，而指数函数e-x在其定义域内同样单调递减，其组成的复合函数为递增函数。对比式（18）和式（19）可知己和c2的大小决定了关键层破断前后的支承应力峰值差^p和支承应力范围差以的大小。由cl和c2的表达式可知在煤层埋深较大时存在c1>c2，即存在如下关系式：将式（20）代入式（18）和式（19）可知半>0且以>0。理论分析结果表明覆岩层中关键层破断后，其工作面煤壁超前支承应力的峰值大小和影响范围较关键层破断前小。在理论分析的基础上，采用现场工程案例对理论分析结果进行验证。淮北杨柳矿的—些具体工程力学参数见表1。表110414工作面工程力学参数参数数值参数数值煤体内摩擦角/（°）20水平应力集中系数1.15密度/（t-m-3）2.5煤体残余强度/MPa2.5煤岩体交界面处摩擦角/（°）8.5工作面采M/m3.0岩层破断角/（°）70亚关键层周期破断步距/m30厚硬主关键层极限破断步距/m527煤层埋深/m611.56直接顶厚度Zh1/m3.64亚关键层及其上方软弱岩层厚度h1+£h2/m100.46厚硬主关键层厚度h2/m43.5主关键层上覆岩层总厚度Zh3/m460.95将表1中10414工作面工程力学参数代入式（14）和式（17）中，可计算求出覆岩中关键层破断前后的应力集中系数k1=2.876和k2=1.781。结果表明k1>k2且k1/k2>1,代入式（18）和式（19）可知^p和△乂均大于0，这与理论分析计算结果相一致。4结论基于极限平衡理论和煤体的极限承载能力，推导出了工作面煤壁超前支承应力影响范围的表达式。并结合实际地质条件，考虑到覆岩层对煤体施加的应力载荷效应，推导出了覆岩层中关键层破断前后对工作面煤壁超前支承应力的表达式。理论分析计算结果和基于现场工作面工程力学参数计算结果相一致，验证了煤层上覆岩层中关键层破断后，其工作面煤壁超前支承应力的峰值大小和影响范围较关键层破断前小。【相关文献】[1]国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2010.[2]齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.[3]何富连，杨增强，魏臻.采动影响下碎裂煤巷注浆加固优化研究与应用[J].煤矿开采，2017,22(1):50-54.[4]刘云鹏.基于微震监测的"滞后型”动力灾害控制技术研究[J].矿业安全与环保，2017,44(1):74-77.[5]刘畅，杨增强，弓培林，等.工作面过空巷基本顶超前破断压架机理及控制技术研究[J].煤炭学报，2017,42(8):1932-1940.[6]窦林名，何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M].徐州：