潘富國(guó)

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

急傾斜煤層比傾斜、緩傾斜煤層開采時(shí),覆巖內(nèi)的導(dǎo)水裂隙更容易向上部巖層擴(kuò)展發(fā)育,同時(shí)當(dāng)留設(shè)的防水煤柱在水壓和礦壓共同的作用下發(fā)生抽冒時(shí),均增加了覆巖覆水條件下急傾斜煤層開采發(fā)生突水事故的可能[1－3]。充填開采是我國(guó)煤炭資源綠色開采的重要發(fā)展方向之一,也是確保水體下急傾斜煤層安全回采行之有效的措施[4-5]。同時(shí),急傾斜煤層充填開采可以有效降低覆巖斷裂帶高度、防水煤柱塑性區(qū)范圍及減小覆巖應(yīng)力集中程度,能有效確保覆巖覆水條件下急傾斜煤層的安全回采[9]。

1 急傾斜煤層充填開采頂板控制力學(xué)模型

根據(jù)急傾斜煤層充填開采頂板巖梁的受力狀態(tài),急傾斜煤層開采采場(chǎng)下部位置受到實(shí)體煤的約束和矸石的支撐作用,頂板巖梁可視為固支支座約束,上部位置可視為簡(jiǎn)支支座約束[10]。以急傾斜煤層工作面切眼位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，巖層的傾斜方向和法線方向分別為x 和y 軸方向，建立急傾斜煤層充填開采時(shí)頂板控制力學(xué)模型，見圖1。

考慮急傾斜煤層采深的影響， 頂板巖梁沿法線方向荷載q1的分布方程為:

式中，H0為急傾斜煤層采場(chǎng)頂板巖梁上部邊界采深;H1為急傾斜煤層采場(chǎng)頂板巖梁下部邊界采深;ΔΗ 為急傾斜煤層采場(chǎng)階段垂高;γ 為上覆巖層容重。

急傾斜煤層充填開采頂板巖梁沿煤巖層切線方向荷載q2的分布方程為:

急傾斜煤層充填開采上覆巖層作用于頂板巖梁上部邊界的切向荷載P 為:

2 急傾斜煤層充填開采頂板應(yīng)力分布特征

2.1理論分析

在小變形條件下,急傾斜煤層充填開采頂板巖梁的應(yīng)力分布大小符合疊加原理,將急傾斜煤層充填開采時(shí)頂板巖梁受力分解為不同荷載作用時(shí)的懸臂梁結(jié)構(gòu)來分析。

1）懸臂梁自由端受集中荷載作用

采場(chǎng)頂板巖梁上端在防水煤柱的支撐作用下，急傾斜煤層開采頂板巖梁可視為懸臂梁自由端受集中荷載的作用，見圖2。

根據(jù)彈性力學(xué)的知識(shí)[11-12],可以求出急傾斜煤層開采懸臂梁在自由端受集中力的作用時(shí),頂板巖梁內(nèi)的應(yīng)力分布形式為:

式中,h 為急傾斜煤層頂板巖梁厚度。

2）懸臂梁受均布荷載作用

將急傾斜煤層沿頂板巖梁垂直層面的法向應(yīng)力q1分解為均布荷載q3和線性荷載q4。同時(shí)將q3與q0共同作用于頂板進(jìn)行分析，見圖3。

在均布荷載作用下,急傾斜煤層充填開采頂板巖梁應(yīng)力分布的形式為:

3） 懸臂梁受線性分布荷載作用

急傾斜煤層開采頂板巖梁在僅受線性荷載q4作用下的受力狀態(tài)，見圖4。

在線性荷載作用下,急傾斜煤層充填開采頂板巖梁的應(yīng)力分布形式為:

4)懸臂梁受切向荷載的作用

急傾斜煤層在頂板巖梁沿煤層切線方向荷載和覆巖作用于采場(chǎng)上部邊界的切向荷載的共同作用下的受力狀態(tài),見圖5。

在切向荷載的作用下，急傾斜煤層開采頂板巖梁的應(yīng)力大小分別為：

急傾斜煤層充填開采頂板巖梁的應(yīng)力大小為不同荷載作用下的應(yīng)力大小之和,因此可以求出急傾斜煤層充填開采頂板巖梁的應(yīng)力大小，見(8)式。

從上式中可知,急傾斜煤層充填開采隨著充填體對(duì)采場(chǎng)頂板支撐荷載q0的增大,頂板巖梁內(nèi)的法向應(yīng)力σx、切向應(yīng)力σy和剪切應(yīng)力σxy均呈降低趨勢(shì)。

2.2數(shù)值分析

采用離散元UDEC 數(shù)值分析，得出急傾斜煤層采空區(qū)充填和不充填不同頂板控制條件時(shí)，頂板巖梁內(nèi)的法向應(yīng)力、剪切應(yīng)力和切向應(yīng)力分布特征,見圖6,圖7。

從圖中可知，當(dāng)急傾斜煤層采空區(qū)充填和不充填控頂方式不同時(shí)，頂板巖梁內(nèi)法向應(yīng)力數(shù)值分別為12.86 MPa 和10.61 MPa；切向應(yīng)力數(shù)值分別為5.93 MPa 和3.65 MPa；剪切應(yīng)力數(shù)值分別為3.25 MPa 和1.02 MPa。因此，充填開采可以有效降低急傾斜煤層頂板巖梁內(nèi)應(yīng)力大小。

3 充填開采對(duì)頂板巖梁破斷形式的影響

急傾斜煤層開采頂板巖梁的應(yīng)力分布狀態(tài)與其厚度、采深、采空區(qū)處理方法等密切相關(guān)。因此，急傾斜煤層開采頂板巖梁的變形、破斷方式也較為復(fù)雜， 主要可分為以下三種情況[13-14]：

1) 在覆巖垂直層面法向應(yīng)力的作用下， 急傾斜煤層頂板巖梁彎曲變形發(fā)生受拉破壞;

2) 急傾斜煤層頂板巖梁上端位置在防水煤柱支撐力的作用下， 受剪切應(yīng)力易產(chǎn)生剪切破斷;

3) 在覆巖沿層面切向應(yīng)力的作用下， 當(dāng)急傾斜煤層直接頂較軟弱時(shí)， 易產(chǎn)生切向整體滑移。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)力學(xué)理論分析和離散元數(shù)值計(jì)算結(jié)果,急傾斜煤層采空區(qū)充填開采可以有效降低頂板巖梁內(nèi)的法向應(yīng)力、切向應(yīng)力和剪切應(yīng)力分布大小,則急傾斜煤層充填開采可以進(jìn)一步有效防止頂板巖梁產(chǎn)生受拉破壞、切向滑移以及剪切破斷。急傾斜煤層開采頂板巖梁破斷往往是上述荷載的綜合作用。因此，急傾斜煤層采空區(qū)充填可以有效防止頂板巖梁的破斷，確保采場(chǎng)頂板圍巖穩(wěn)定和阻止覆巖導(dǎo)水裂隙的向上擴(kuò)展，進(jìn)而有利于在覆巖充水條件下急傾斜煤層的安全開采。

4 水體下急傾斜煤層充填開采現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

黑龍江龍煤集團(tuán)七臺(tái)河分公司龍湖煤礦南二采區(qū)有8 層可采急傾斜薄煤層,煤厚平均0.7m。由于在急傾斜煤層上方存在部分未封閉井口的老窯空區(qū)，且在其井巷內(nèi)充滿積水，同時(shí)，與季節(jié)性河流貫通形成水力聯(lián)系，導(dǎo)致龍湖煤礦急斜煤層開采時(shí)存在較為嚴(yán)重的隱患[15]。48#煤設(shè)計(jì)了分帶仰斜矸石充填采煤方法,同時(shí),采用水泥-水玻璃漿液對(duì)矸石充填體進(jìn)行注漿膠結(jié)頂板控制,其急傾斜煤層矸石充填注漿膠結(jié)效果,見圖8。

從圖中可知,急傾斜煤層采空區(qū)矸石充填注漿膠結(jié)狀態(tài)密實(shí),矸石膠結(jié)帶與頂板之間沒有間隙。因此,充填開采可以有效防止頂板巖梁的破斷,抑制采場(chǎng)上覆巖層導(dǎo)水裂隙的擴(kuò)展發(fā)育,進(jìn)而確保水體下急傾斜煤層的安全回采。

5 結(jié)論

急傾斜煤層充填開采改變了頂板巖梁的應(yīng)力分布特征,進(jìn)而影響了頂板巖梁的變形破斷方式。同時(shí),充填開采限制了急傾斜煤層頂板向采空區(qū)自由空間的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),阻止了覆巖導(dǎo)水裂隙的向上擴(kuò)展發(fā)育,有利于水體下急傾斜煤層的安全開采。同時(shí),采用矸石充填技術(shù),可以節(jié)省提升、運(yùn)輸費(fèi)用,降低矸石山堆放及占地面積,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,為龍湖煤礦的安全高效生產(chǎn)提供了重要保障。

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