大采高综采工作面煤壁稳定性分析

大采高综采工作面煤壁稳定性分析

影响工作面安全生产的重要因素是也是生产管理的重要因素。这种联系增加了端部之间的间距，导致端部顶部的事故，严重时会造成设备损坏和人员损失。由超前支承压力理论可知,煤壁片帮与塑性区煤体的变形破坏过程密不可分,是工作面煤体超前破坏的结果.深入分析煤体由原岩状态到塑性破坏状态的发展过程,是准确掌握煤壁破坏规律、片帮力学机理和确定防治技术的基础.为此,本文采用数值模拟与理论分析相结合,研究了大采高采场煤体在采动影响下,裂隙的发展规律、煤壁片帮失稳的力学过程,为煤壁片帮的合理控制提供了依据.1煤壁片帮形式的实测分析采动影响下,煤层的破坏始于工作面前方弹塑性区的交界面,终于煤壁,是煤体在支承压力的作用下变形移动的过程,也是煤体内部裂隙发育、发展与演化的过程.煤壁的稳定性取决于被裂隙切割煤体结构的力学性质与所在的应力环境.煤壁的片帮形式是煤体结构形式与力学作用的综合反映.因节理裂隙、层理、弱面等分布及发育程度不同,煤壁片帮形式也往往呈现出多样性.现场对王庄煤矿6203大采高综放工作面和东滩煤矿1303大采高综放工作面的片帮形式进行了观测素描,其中王庄煤矿6203工作面煤厚平均7.0m,机采高度平均3.5m,东滩煤矿1303工作面煤厚平均9.07m,机采高度平均3.6m.两工作面的观测结果如图1所示,结合文献[9]的现场实测,可知煤壁片帮基本形状有5种:顶部片帮、腰部片帮、顶底部片帮、底部片帮和整体片帮.对于图1b有时煤壁会沿虚线垮落,形成顶腰部片帮形式.煤层赋存与生产技术条件不同,工作面煤壁片帮的形式会有差别,而条件相同时,片帮形式则比较稳定.表1为王庄矿6203工作面片帮形式的统计结果.由表1可知,煤壁片帮主要表现为a和b两种形式,占81.8%.在东滩矿1303工作面,片帮也以a和b两种形式为主,其中,形式a约占70%,形式b约占20%,两者合计占90%.根据晋城寺河矿大采高工作面的实测资料2工作面变形破坏的模拟煤壁片帮是煤体采动裂隙扩展演化的结果,为了分析采动裂隙扩展演化对煤壁片帮失稳的影响规律,采用UDEC3.1软件分析了煤体硬度与节理对工作面前方采动影响区煤层变形破坏的影响规律.模拟以东滩矿1303工作面地质条件为基础,取煤层厚度9.0m,埋深500m,属近水平煤层,直接顶与直接底为粉细砂岩互层,老顶为中砂岩.2.1压剪破坏面的采动剪切面偏心率分布规律含层理煤层不考虑煤层内原生节理裂隙的影响.因此,煤层的采动破坏主要由煤块体的力学性质和超前支承压力所决定.在回采工作面前方,超前支承压力峰值到煤壁的范围为极限平衡区1)采动破裂面的产生缘于煤体的剪切破坏,因此采动破裂面可称为采动剪切面.煤体硬度的不同,剪切面呈两种破坏形式,当煤体较软弱时,采动剪切面为倾向采空区的单一平面,如普氏系数f=1.0时的破坏面AB.煤体较硬时,剪切破坏面为倾角相近倾向不同的共轭破断面,如f为1.5,2.0和3.0时的破坏面AB与BC.2)煤体在采动破坏后,继续以压剪形式破坏.当煤体较硬时,剪切面为倾向相反的共轭面组成,如f为2.0,3.0时的破坏面OM与ON.而煤体较软时,剪切破坏面发生反转,破坏后的煤体沿倾向煤壁的剪切面继续破坏,如f为1.0,1.5时的破坏面MN.考虑到工作面超前方向水平应力的影响,层理煤层中的超前破坏实为煤岩块体的三轴压缩破坏.由文献[12]可知,剪切破坏面与水平方向夹角的理论值为π/4+φ/2,其中φ为岩石的内摩擦角.图2中,煤体硬度不同,共轭破断面交点B的层位不相同.煤体越硬,交点越靠近于煤层的中线,如普氏系数等于3.0时,交点位于煤层中线附近.煤体越软,交点越向底板偏移,当普氏系数等于1.0时,交点已降至底板位置.根据图2注释,煤层厚度为H,共轭剪切面交点距煤层中线的距离为h.定义采动剪切面的偏心率为采动剪切面偏心率是反映采动破裂面几何形态的参数,与塑性区范围L一样,是煤体超前破坏特征的反映.不同强度煤体,塑性区范围及采动剪切面偏心率的变化规律如图3a所示.由图3a可知,采动剪切面偏心率与塑性区范围一样,随着煤体硬度的增大而降低,区别在于塑性区范围的变化为单调下降曲线,而采动剪切面偏心率则呈现3个不同阶段:AB段,BC段和CD段.根据模拟结果,AB段的普氏系数小于1.2,偏心率保持100%,CD段的普氏系数大于4.0,偏心率为0,BC段偏心率随煤体硬度增大而单调递减.大多硬煤岩体在深部开采中开始呈现软岩的变形破坏特征2.2节理煤体的采动剪切面形态特征煤层内除层理外,在地质历史中还形成了大量原生裂隙.裂隙的存在不仅降低煤体的强度,而且对采动裂隙的扩展演化形态产生影响.影响工作面煤体稳定性的裂隙主要有5类:平行于层面的裂隙、垂直于层面的裂隙、倾向煤壁的裂隙、倾向采空区的裂隙、楔形裂隙受倾斜节理影响,软煤(f=1.0)和硬煤(f=3.0)采动裂隙的发育情况如图4所示.由图4可得:1)当煤体内存在倾斜节理时,煤体的破坏就由采动剪切面的破坏和沿节理面的破坏两部分组成.软煤中,采动剪切面AB为倾向采空区的单一平面.硬煤的采动剪切面倾向与节理倾向有关,采动剪切面CD与节理面形成倾向相反的共轭破坏面.2)节理倾向不同,煤体的超前破坏形式发生变化.如节理倾角为30°的软煤,节理倾向煤壁时采动剪切破坏范围大于节理破坏范围,倾向采空区时采动剪切破坏范围小于节理破坏范围,硬煤也呈同样的变化特征.对于软煤,节理倾向煤壁和倾向采空区时,采动剪切面倾角差别较大,分别为63°和52°,硬煤时两者相近,分别为47°和46°.图5为中硬煤(f=2.0)采动剪切面的发育随节理倾向与倾角的变化.由图5可知:1)随节理面倾角的变化,采动剪切面的发育呈3种形态:煤块体的共轭剪切相交、采动剪切面与节理破坏面共轭相交,采动剪切面与节理破坏面共轭相割.当节理面倾角较小时,剪切面为共轭破坏面,如节理倾角为10°和20°时的OM和ON剪切面.随节理倾角的增大,采动剪切面变为与节理面共轭破坏的平面,剪切面的发展止于与节理破坏面的交点,如节理倾角为30°时的剪切破坏面AB.当节理倾角超过一定值时,剪切面超过与节理面破坏的交点,呈与节理破坏面相割的状态,见节理倾角70°时的剪切面CD.2)采动剪切破坏区的超前距离随节理倾角增大而缓慢增大,如节理倾向采空区,当倾角为10°,30°和70°时,剪切破坏区范围分别为12,13和16m.倾角相同,节理面倾向对剪切破坏范围的改变较小,如倾角为30°时,节理面倾向煤壁与采空区所对应的破坏范围分别为15.0和14.5m.3阿迪斯墙碎片重量失稳机理3.1煤体的力学模型前面分析可知,经过采动剪切与节理扩张破坏的作用后,处于煤壁附近的煤体已属于强度较弱且处于极限平衡状态的碎裂结构体.根据数值模拟结果(图2),煤体破裂后,一直处于剪切流动状态,煤壁的稳定性取决于煤体的塑性变形规律.为分析煤体的宏观变形特征,把塑性区煤体简化为理想刚塑性连续介质,其强度为残余强度,建立图6所示的力学模型,为便于分析,设顶板压力q为均布力.此处顶板压力实为煤体强度的反映,煤的单轴抗压残余强度一般为2~3MPa对于图6所示的力学模型,根据塑性力学滑移线理论,Mohr-Coulomb材料的滑移线场中,两簇滑移线为直线且相互夹角为2μ滑移线是各点剪切破坏面的连续连接线图6中滑移场为均匀场,根据滑移线理论,在煤体任一水平面上,如MN面,应力都相等,正应力为q,剪应力为0,并可求得滑移线上各点应力值为取中硬以上煤体,设共轭剪切面交点偏移后的高度为H根据煤壁与滑移线切割的几何关系,工作面采高分为两种基本类型,一类是采高h小于H由∑F将式(2)代入式(3),并根据RtΔABO的三角关系可求得由此可知,当顶板压力q不变时,煤体OAB保持平衡状态,不会发生沿AB的滑动失稳.由于AB的任意性,当压力不变时,OCD内煤体能够保持自身的稳定性.同样,对于图7b所示情形,易失稳范围为LI-JK所围区域,该范围内煤体的失稳有2种情况,一是ΔLMN内煤体以三角形块体的滑落,如块体EFH沿EH与FH的失稳,一种是LIJK形式的四边形滑落.以EFH为隔离体,煤块受力如图8b所示.根据图8b中的力学平衡关系,可得σ3.2煤壁的失稳过程图7中,设煤壁处顶板压力增大Δq,如果OAB,LSHF和LVJK块体能够保持力学平衡,根据力学平衡关系,可求得滑移线,如AB,HF,JK上应力的理论值为设煤体的内聚力为c,得滑移线上实际剪应力值为令Δτ=τ由式(2)及τ因此,滑移线上实际剪应力值小于保持图8中各隔离体的稳定所需要的剪应力,即滑移面上将发生剪切滑动,导致煤壁的片帮.对于图7a情形,煤壁主要片帮形式如图1a和1e所示,图7b的情形则主要发生图1b形式的片帮.导致图7a中OD和图7b中LV面上压力变化的因素主要有2个,一是煤机过后,端面顶板形成的冒落拱或自稳隐形拱对于软煤,工作面附近煤体的剪切破坏面为倾向煤壁的单斜面,如图7c所示.图7c中危险范围的结构形态与图7a相同,其稳定性与失稳机理也相同.4含煤层的煤层压剪破坏特性1)大采高综采与综放工作面煤壁片帮有顶部、底部、顶底部、腰部和整体斜切5种形式,主要以顶部和腰部片帮为主,占80%左右.2)煤壁片帮是工作面前方采动煤体破坏失稳的表现形式,破坏形式为压剪破坏.只含层理的煤层,破坏面为倾向相反的共轭面,交点偏离煤层中线向底板方向,煤体越软偏离距离越大,直到降至底板;含节理煤层,采动破坏面