綜采工作面塑性區(qū)煤體的流變特性分析

李建偉，王創(chuàng)業(yè)，王茜茜

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

綜采工作面塑性區(qū)煤體的流變特性分析

李建偉，王創(chuàng)業(yè)，王茜茜

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

針對綜采工作面對煤壁片幫防治的安全生產(chǎn)需求，運用流變力學(xué)理論，對綜采工作面塑性區(qū)煤體的流變特性進行了分析，并以不同受力條件下煤體蠕變變化的動態(tài)類型為依據(jù)，對塑性區(qū)煤體的流變特性進行了分區(qū)。研究表明：塑性區(qū)煤體變形過程中，存在的不平衡滑動力是煤體開始失穩(wěn)直至破壞的根本原因；不平衡滑動力與煤體長期強度的大小關(guān)系的不同，造成塑性區(qū)不同區(qū)域煤體蠕變變化分為衰減蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變和非穩(wěn)定蠕變；確定非穩(wěn)定蠕變區(qū)煤體蠕變時間，能從理論上計算工作面推進速度的下限值。根據(jù)現(xiàn)場工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件對塑性區(qū)煤體的流變特性進行了分區(qū)，并通過現(xiàn)場實測結(jié)果分析，得出工作面煤壁片幫多發(fā)生在煤壁中上部，且工作面兩端頭位置片幫發(fā)生次數(shù)以及片幫尺寸均比中部大。理論分區(qū)結(jié)果與現(xiàn)場實測煤壁片幫部位具有較好的一致性。

綜采工作面；塑性區(qū)煤體；流變特性；煤壁片幫

煤壁片幫是影響綜采工作面安全生產(chǎn)的技術(shù)難題之一。隨著綜采技術(shù)裝備的不斷革新，工作面采高不斷增大，推進速度不斷加快，使得工作面煤壁片幫的幾率不斷增大，嚴重影響安全生產(chǎn)。工作面開采過后，在超前支承壓力的作用下，極限平衡區(qū)(塑性區(qū))內(nèi)煤體由彈性變形轉(zhuǎn)為塑性變形，煤壁附近煤體則已處于塑性破壞階段，其承載能力大幅度下降，處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)[1-2]。文獻[3]通過對極軟厚煤層工作面煤體的受力狀態(tài)進行分析，將煤壁的破壞形式分為拉裂破壞與剪切破壞，認為無論是煤壁的拉裂破壞還是剪切破壞，主要與煤體的頂板壓力、抗剪強度、煤體性質(zhì)有關(guān)，減小煤壁壓力、改變煤體性質(zhì)、提高煤體抗剪強度是防止煤壁片幫的主要途徑。文獻[4]運用滑移線理論分析了厚煤層大采高工作面煤壁失穩(wěn)的力學(xué)過程，認為極限平衡狀態(tài)的煤體沿采動壓剪破壞面的滑動造成了煤壁的片幫失穩(wěn)。文獻[5]在“三軟”大采高綜采面煤壁片幫特征實測的基礎(chǔ)上，建立了煤壁“楔形”滑動體穩(wěn)定性分析的空間力學(xué)模型，得到了控制煤壁穩(wěn)定性的關(guān)鍵要素。文獻[6]采用邊坡穩(wěn)定性研究的成果，用概率分析方法，從理論上對大采高工作面煤壁發(fā)生片幫的原因進行了研究，建立了大采高工作面煤壁滑面力學(xué)模型，分析了影響工作面煤壁穩(wěn)定性的各種相關(guān)因素。另外，文獻[7-11]分別研究了煤層埋深、覆巖活動、機采高度以及煤層夾矸等對工作面超前煤體的受力狀態(tài)以及破壞形式的影響。上述文獻針對工作面塑性區(qū)內(nèi)煤體的穩(wěn)定性進行了大量的理論和現(xiàn)場實測研究，基本上采用極限平衡法對煤壁附近煤體的受力狀態(tài)和破壞形式進行分析。由于塑性區(qū)內(nèi)煤體的變形是在垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力的組合作用下產(chǎn)生的隨時間變化的過程，因此，采用流變力學(xué)相關(guān)知識，對塑性區(qū)內(nèi)煤體流變特性進行分析更符合現(xiàn)場實際。

本文針對綜采工作面超前煤體的受力狀態(tài)，運用流變力學(xué)理論，對塑性區(qū)內(nèi)煤體的流變特性進行了分析，并以不同受力條件下煤體蠕變變化的動態(tài)類型為依據(jù)，對塑性區(qū)煤體的蠕變特征進行了分區(qū)，對采用流變力學(xué)理論分析工作面圍巖的穩(wěn)定性進行了有益的嘗試。

1 工作面塑性區(qū)煤體流變性質(zhì)分析

采場進行回采作業(yè)后，周圍煤巖體應(yīng)力狀態(tài)重新分布，其中工作面前方煤體受到的垂直應(yīng)力以支承壓力的形式表現(xiàn)，采場前方煤體按支承壓力的大小分為極限平衡區(qū)(塑性區(qū))和彈性區(qū)[2]。塑性區(qū)內(nèi)煤體在垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力的組合作用下，產(chǎn)生隨時間變化的變形。根據(jù)巖石的流變性質(zhì)[12-13]，介質(zhì)在受力大小和方向均不改變的情況下，其變形隨時間的變化呈現(xiàn)出不同形式的增大。因此，工作面塑性區(qū)內(nèi)煤體的變形失穩(wěn)甚至破壞是一個時間與空間的動態(tài)發(fā)展過程。

1.1 塑性區(qū)煤體受力狀態(tài)分析

根據(jù)彈塑性理論[2]，工作面前方極限平衡區(qū)內(nèi)支承壓力的計算公式：

(1)

(2)

式中，γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；h為煤層平均埋深，m。

式(1)，(2)給出了開采過程中，工作面前方塑性區(qū)內(nèi)煤體支承壓力的分布形式與分布范圍，塑性區(qū)內(nèi)支承壓力呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系遞增至支承壓力峰值Kγh。

而塑性區(qū)煤體受到的水平應(yīng)力則可表示為：

(3)

式中，β為側(cè)壓力系數(shù)。

1.2 塑性區(qū)煤體變形失穩(wěn)的時間效應(yīng)

根據(jù)相關(guān)研究[14]，工作面圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)受時間因素的影響呈現(xiàn)出不同的特點，說明采場圍巖具有明顯的流變性質(zhì)，特別是較軟弱的煤體，其流變特性更顯著。工作面煤層開采后，煤壁塑性區(qū)內(nèi)煤體在其彈性限度內(nèi)發(fā)生彈塑性變形后，會隨著時間的變化發(fā)生蠕變變形。由于塑性區(qū)煤體受力狀態(tài)的不同，將導(dǎo)致不同區(qū)域煤體的蠕變變形曲線及其發(fā)展變化趨勢的差異。綜合運用流變力學(xué)中長期強度特征、流動特性和蠕變特性等對塑性區(qū)煤體的流變性進行分析，能真實反映不同區(qū)域煤體受力與變形在時間上的相互關(guān)系，進一步深化采場圍巖穩(wěn)定性控制理論，對于防治綜采工作面煤壁片幫、端面冒頂?shù)仁鹿实陌l(fā)生具有指導(dǎo)性的意義。

2 塑性區(qū)煤體變形失穩(wěn)的動態(tài)類型及其運動機制

2.1 塑性區(qū)煤體不平衡應(yīng)力分析

塑性區(qū)煤體蠕變變形過程中，存在的不平衡滑動力是煤體開始失穩(wěn)直至破壞的根本原因。不平衡滑動力指促使煤體失穩(wěn)的水平應(yīng)力與抵抗煤體失穩(wěn)的阻力之間的差值，記為ΔF=FP-FR，由ΔF產(chǎn)生的，沿煤層水平分布的剪應(yīng)力為不平衡剪應(yīng)力Δτ。塑性區(qū)煤體變形失穩(wěn)的動態(tài)類型與發(fā)展趨勢之所以多種多樣，是因為Δτ值不同和變化所致。

圖1 工作面煤壁塑性區(qū)內(nèi)煤體受力狀態(tài)分析

如圖1所示，塑性區(qū)內(nèi)煤體所受支承壓力呈指數(shù)規(guī)律變化，為了計算的簡便且不失準確性，將此范圍內(nèi)支承壓力曲線近似為直線變化：

(4)

取塑性區(qū)煤體任一微小塊體m0分析，塊體受到的促使其沿煤層滑動的力：

(5)

m0所受到的阻止其沿煤層滑動的力：

(6)

式中，μ′為微小塊體m0所處煤層間的摩擦系數(shù)。

因此，任一微小塊體所受到的不平衡滑動力與不平衡剪應(yīng)力的表達式為：

(7)

(8)

2.2 塑性區(qū)內(nèi)煤體變形失穩(wěn)的動態(tài)類型

巖土材料的蠕變變形趨勢取決于剪應(yīng)力值與長期強度τ之間的關(guān)系[15-16]。長期強度是指巖石強度隨時間而持續(xù)有限降低，并逐漸趨近于一個穩(wěn)定收斂的低限定值[17]。

由于工作面塑性區(qū)內(nèi)不同區(qū)域煤體所受不平衡滑動力與煤體長期強度的大小關(guān)系的不同，導(dǎo)致如圖2所示塑性區(qū)煤體蠕變變化規(guī)律曲線的差異。

圖2 塑性區(qū)煤體蠕變規(guī)律曲線

圖2中所示煤體蠕變曲線有如下特點：

(1)衰減蠕變(曲線1)：Δτ<τ，變形隨時間減小，最終趨于停止。

(2)穩(wěn)態(tài)蠕變(曲線2)：Δτ=τ，變形速度保持常數(shù)，此狀態(tài)為臨界狀態(tài)，會向非穩(wěn)定蠕變或者衰減蠕變狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

(3)非穩(wěn)定蠕變(曲線3)：Δτ>τ，變形隨時間逐漸增大，速度遞增，一般情況下在保持相當時間段的等速變形后，出現(xiàn)加速而以破壞結(jié)束。

3 塑性區(qū)煤體的流變特性與分區(qū)

對于煤體的蠕變運動而言，可將同一水平方向上的各塊體m0,m1,m2，…mn視為一個個受剪切力作用的流變體。在變形階段，隨著各塊體的變形失穩(wěn)引起塑性區(qū)的發(fā)展，每一塊體承受不平衡剪應(yīng)力Δτ>τ時，該塊體就會像流變實驗中巖體單元產(chǎn)生加速度，但是由于受前面塊體的變形約束，該加速度產(chǎn)生的力使其相鄰塊體繼續(xù)剪切變形，而沒有自身產(chǎn)生加速運動。因此，采用積分法對圖1中塊體m0的受力狀態(tài)進行分析更符合實際受力特點。

故塊體m0受到的促使煤體沿煤層變形失穩(wěn)的水平力可表示為：

(9)

而塑性區(qū)內(nèi)抵抗塊體m0失穩(wěn)的阻力則為因支承壓力而產(chǎn)生的層間摩擦力，即：

(10)

所以塊體m0所受不平衡滑動力：

ΔF=βγhy-μKγhx

(11)

不平衡剪應(yīng)力可表示為：

(12)

相關(guān)文獻研究得出[18]，煤體的長期強度可取瞬時強度的38%～65%，即流變系數(shù)取0.38～0.65，且煤體的強度越大，流變系數(shù)的取值也越大。

τ=η[τ]

(13)

式中，η為流變系數(shù)；[τ]為煤體剪切強度，MPa。

設(shè)塑性區(qū)內(nèi)煤體流變特性分區(qū)判別值Γ=Δτ-τ。當Γ>0時，此范圍內(nèi)煤體處于非穩(wěn)定蠕變區(qū)，煤體的流變特征如圖2中曲線3所示；當Γ=0時，此范圍內(nèi)煤體處于穩(wěn)定蠕變區(qū)，煤體的流變特征如圖2中曲線2所示；當Γ<0時，此范圍內(nèi)煤體處于衰減蠕變區(qū)，煤體的流變特征如圖2中曲線1所示。

將式(12)，(13)代入Γ=Δτ-τ，得：

(14)

式中，0≤y≤M，0≤x≤x0。

由式(14)可以看出，塑性區(qū)內(nèi)煤體流變特性受煤層埋深h、側(cè)壓力系數(shù)β、支承壓力峰值K等煤巖賦存狀態(tài)，煤體抗剪強度[τ]、流變系數(shù)η等煤體物理力學(xué)特性以及塑性區(qū)煤體所處的空間位置等因素的綜合影響。

結(jié)合西川煤礦1109綜采面煤巖物理力學(xué)性質(zhì)和開采技術(shù)條件，對工作面塑性區(qū)內(nèi)煤體的流變特性進行分區(qū)。該工作面煤層平均厚度3.0m，煤層埋深平均420m，覆巖容重γ=26kN/m3，側(cè)壓力系數(shù)β=0.5，煤層層間摩擦系數(shù)f=0.25。

通過煤體抗壓強度試驗，得到煤的抗壓強度φc=29.13MPa。

現(xiàn)場支承壓力實測結(jié)果如圖3所示，取最大支承壓力集中系數(shù)平均值K=1.6。

圖3 實測工作面支承壓力分布

從圖中可以看出塑性區(qū)范圍為4m。將以上參數(shù)代入式(2)，亦可以得出塑性區(qū)寬度x0=4.2m。參考理論計算和現(xiàn)場實測結(jié)果，取x0=4.1m。

通過煤體抗剪強度試驗，得出煤體抗剪強度平均值[τ]=8.83MPa，考慮到煤體的堅固性系數(shù)為2.1，取流變系數(shù)為0.5，則得到塑性區(qū)煤體的長期抗剪強度τ=4.415MPa。另外，內(nèi)摩擦角φ=30.5°，黏聚力C=8.65MPa，

結(jié)合以上分析結(jié)果以及工作面煤巖相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)，通過式(14)可以計算得出如圖4所示塑性區(qū)煤體的流變特征分區(qū)。

圖4 工作面塑性區(qū)煤體的流變特征分區(qū)

從圖4中可以看出：

(1)根據(jù)Γ的大小，可以將塑性區(qū)煤體分為衰減蠕變區(qū)和非穩(wěn)定蠕變區(qū)。衰減蠕變區(qū)內(nèi)煤體變形隨時間減小并趨于穩(wěn)定；而非穩(wěn)定蠕變區(qū)內(nèi)煤體變形則隨時間變化呈現(xiàn)不同程度的增大，直至失穩(wěn)破壞。

(2)在非穩(wěn)定蠕變區(qū)，Γ值越大，表明煤體受到的不平衡剪應(yīng)力越大，煤體發(fā)生蠕變破壞的時間越短。從圖中可以看出，在塑性區(qū)煤體Γ值靠近煤壁側(cè)越來越大，表明越靠近煤壁側(cè)，煤體的蠕變破壞發(fā)生時間越短，煤壁越不穩(wěn)定，如果遇到采煤機采動或者支架移架等擾動影響，煤壁將極易發(fā)生片幫。

(3)非穩(wěn)定蠕變區(qū)中煤體的Γ值隨著煤層采高的增加而增加，表明煤壁中上部煤體流變變化較下部快，為片幫危險區(qū)域。現(xiàn)場生產(chǎn)中，工作面煤壁片幫多以頂部片幫和腰部片幫為主，多發(fā)生在煤壁中上部。分析結(jié)果和現(xiàn)場實際有較好的一致性。

4 時間因素對塑性區(qū)煤體流變特性的影響探討

由于彈性變形已經(jīng)發(fā)生，非穩(wěn)定蠕變區(qū)煤體將經(jīng)歷緩慢蠕變、穩(wěn)定蠕變和加速蠕變3個階段，且Δτ不同，3個蠕變階段歷時長短將不同，如圖5所示。圖中體現(xiàn)了煤體蠕變動態(tài)發(fā)展的3個階段：緩慢蠕變階段、穩(wěn)定蠕變階段和加速蠕變階段。

圖5 非穩(wěn)定蠕變區(qū)煤體蠕變變形的動態(tài)發(fā)展階段

確定非穩(wěn)定蠕變區(qū)煤體緩慢蠕變和穩(wěn)定蠕變階段的時間，可以得出自采煤機采煤過后，煤壁能保持自身穩(wěn)定的時間閾值tc。現(xiàn)場生產(chǎn)中，可以通過確定合理的工作面推進速度來使得煤壁自采煤機上一次開采過后，在tc時間內(nèi)采煤機第2次采過，從而減少工作面煤壁片幫的發(fā)生幾率。

可以通過一系列蠕變試驗，得出在不同的剪應(yīng)力τ作用下，煤的變形速率ε隨時間t的變化曲線，簡記為：

ε=f(t)τ

通過對煤的變形曲線的分析，可以得出煤體各蠕變變形階段所經(jīng)歷的時間，取緩慢蠕變和穩(wěn)定蠕變階段的時間tcτ。則可以得出工作面推進速度的下限值：

v=24·m/tcτ

式中，v為工作面推進速度，m/d；tcτ為緩慢蠕變和穩(wěn)定蠕變階段的時間，h；m為工作面循環(huán)進尺，m。

因此，不同的剪應(yīng)力τ作用下，煤的蠕變變化規(guī)律研究將是下一步工作的重點。

5 現(xiàn)場實測分析

現(xiàn)場對1109工作面發(fā)生的23次煤壁片幫進行統(tǒng)計分析得出，煤壁的片幫形式主要分為頂部片幫、腰(頂)部片幫以及整體片幫3種形式，工作面煤壁片幫形式統(tǒng)計見表1。

表1 工作面煤壁片幫形式統(tǒng)計

通過統(tǒng)計分析，工作面煤壁片幫多發(fā)生在煤壁中上部，且最大片幫深度和寬度均較大，這表明塑性區(qū)內(nèi)中上部煤體較下部煤體穩(wěn)定性差，尤其是在采煤機采動或液壓支架移架等擾動影響下，煤壁片幫較易發(fā)生。

在工作面面長方向，統(tǒng)計分析煤壁片幫的發(fā)生次數(shù)、片幫尺寸參數(shù)如圖6所示。從圖中可以看出，工作面兩端頭位置片幫發(fā)生次數(shù)以及片幫尺寸均比中部大，這是由于工作面采煤機雙向割煤，兩端頭煤體相比于中部煤體，其所受圍巖作用力的時間較長，煤體產(chǎn)生較大的流變變形，煤壁片幫發(fā)生的幾率較中部大。

圖6 工作面面長方向煤壁片幫統(tǒng)計分析

6 結(jié) 論

(1)工作面煤層開采后，塑性區(qū)內(nèi)煤體在圍巖應(yīng)力的作用下即發(fā)生隨時間變化的蠕變變形，煤體的變形失穩(wěn)甚至破壞是一個時間與空間的動態(tài)發(fā)展過程。

(2)工作面塑性區(qū)內(nèi)不同區(qū)域煤體所受不平衡滑動力與煤體長期強度的大小關(guān)系的不同，導(dǎo)致塑性區(qū)煤體蠕變變化規(guī)律的差異。

(3)采用流變力學(xué)理論，對塑性區(qū)煤體的流變特性進行了分析，并根據(jù)現(xiàn)場工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件對塑性區(qū)煤體的流變特性進行了分區(qū)。

(4)通過現(xiàn)場實測結(jié)果統(tǒng)計分析，得出工作面煤壁片幫多發(fā)生在煤壁中上部，且工作面兩端頭位置片幫發(fā)生次數(shù)以及片幫尺寸均比中部大。

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AnalysisofCoalRheologicalBehaviorwithinPlasticZoneofFullyMechanizedCoalMiningFace

LI Jian-wei，WANG Chuang-ye，WANG Qian-qian

(Mining Researching Institute，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China)

To Safety production demand of fully mechanized coal mining face to rib spalling prevention，and rheological mechanics theory was utilized，the coal rheological behavior within plastic zone of fully mechanized coal mining face was analyzed，according dynamic types of coal creep deformation under different stress condition，the coal rheological behavior within plastic zone was divided.The results showed that during coal deformation process in plastic zone，the unbalance sliding force was the primary reason of coal unbalance to failure，the creep deformation variation was divided decay creep，stable creep and unsteady creep of different plastic zone as the relationship between unbalance sliding force and coal long-term strength，and coal creep time of unsteady creep zone was determined，the lower limiting value of working face advanced speed could be calculated in theory.According practical geological condition in filed，the coal rheological behavior was zoned in plastic zone，according filed measurement，working face rib spalling mostly appeared in the upper part，the frequency and rib spalling size at two sides of working face was more than in middle part，the consistency of the theatrical partition was consistency to filed measurement.

fully mechanized coal mining face；coal of plastic zone；rheological behavior;rib spalling

2017-09-22

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.003

國家自然科學(xué)基金項目(51574220，51464036)；內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金項目(2017QDL-B11，2017QDL-B12)

李建偉(1987-)，男，河北石家莊人，講師，工學(xué)博士，研究方向：礦山巖體力學(xué)與巖層控制。

李建偉，王創(chuàng)業(yè)，王茜茜.綜采工作面塑性區(qū)煤體的流變特性分析[J].煤礦開采，2017，22(6)：10-14.

TD325

A

1006-6225(2017)06-0010-05

潘俊鋒]