綜采工作面堅硬頂板垮落運動型式及碰撞摩擦特征分析

劉紅星

摘 要：堅硬頂板垮落碰撞摩擦特征分析對揭示堅硬頂板垮落引燃采空區(qū)瓦斯機(jī)理具有重要的理論支撐作用。本文通過UDEC軟件闡明了堅硬頂板垮落六種運動型式，建立了頂板垮落的碰撞及摩擦計算模型，結(jié)合新集二礦121109工作面條件，得到了該工作面堅硬頂板垮落碰撞時碰撞速度及摩擦?xí)r摩擦力的分布區(qū)間。研究結(jié)果表明：新集二礦121109工作面在推進(jìn)過程中石英砂巖直接頂可能經(jīng)歷直接回轉(zhuǎn)、二次回轉(zhuǎn)、雙向回轉(zhuǎn)等垮落運動型式，且頂板垮落碰撞時碰撞速度區(qū)間理論值為2.78～8.31m/s，考慮富裕系數(shù)值為3.34～9.97m/s；頂板垮落摩擦?xí)r摩擦力區(qū)間理論值為8294.27～17325kN，考慮富裕系數(shù)值為9953.12～20790kN。

關(guān)鍵詞：關(guān)鍵層；運動型式；垮落碰撞；垮落摩擦

中圖分類號：TD327.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）16-0180-02

點火源是采空區(qū)瓦斯燃爆的關(guān)鍵原因之一，除人為明火、電火花、機(jī)械撞擊摩擦火花和錨索拉斷火花外，尚有一種不能被忽視的引火源—堅硬頂板垮落撞擊摩擦火花[1-3]。堅硬砂巖頂板工作面回采時，采空區(qū)堅硬頂板易大面積懸空，隨著采空區(qū)的擴(kuò)大，懸頂易突然斷裂碰撞及摩擦產(chǎn)生火源，從而引起采空區(qū)瓦斯爆炸燃燒事故。陽城、沁水、包頭、通化等礦區(qū)均發(fā)生過由于巖石撞擊摩擦火花引起的瓦斯爆炸燃燒事故[4-5]，如新集二礦121109綜采工作面在回采中期過背斜構(gòu)造時，在采空區(qū)背斜軸部發(fā)生了一起因頂板破碎掉落矸石摩擦引燃采空區(qū)局部瓦斯燃燒事故[6]，從而造成了嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，威脅著礦區(qū)的安全生產(chǎn)。因此，為保障堅硬砂巖頂板工作面的安全高效生產(chǎn)，有必要對堅硬頂板冒落引燃采空區(qū)瓦斯機(jī)理進(jìn)行相關(guān)研究，而首當(dāng)其沖的就是工作面堅硬頂板垮落碰撞及摩擦的分析。

堅硬頂板由于不同的賦存條件和回采方式，其本身的破斷運動型式不盡相同，引起的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律不同，頂板垮落垮落碰撞時碰撞速度及摩擦?xí)r摩擦力的分布也有所不同。弓培林[7]等針對大采高綜采工作面頂板垮落帶高度大的特點，將進(jìn)入垮落帶頂板分為I，II，III型3種類型；許家林[8]等通過現(xiàn)場實測、模擬試驗與理論分析就神東礦區(qū)特大采高綜采工作面覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)形態(tài)及其對礦壓顯現(xiàn)的影響規(guī)律進(jìn)行了深入研究。而根據(jù)不同頂板垮落的運動型式對垮落碰撞及摩擦進(jìn)行相關(guān)分析的研究較少，因此，本文采用UDEC數(shù)值模擬的方法分析了堅硬頂板垮落的運動型式，并建立了頂板垮落的碰撞及摩擦計算模型，推演了不同運動型式碰撞時碰撞速度及摩擦?xí)r摩擦力的計算公式，最終得到了新集二礦121109工作面堅硬頂板垮落碰撞時碰撞速度及摩擦?xí)r摩擦力的分布區(qū)間，為揭示含黃鐵礦厚砂巖頂板垮落碰撞摩擦引燃采空區(qū)瓦斯機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。

1 堅硬頂板垮落運動型式數(shù)值模擬

為了分析綜采采場堅硬頂板在不同覆巖條件下的不同運動型式，采用UDEC數(shù)值模擬軟件建立了6種數(shù)值模型。模型采用摩爾-庫侖本構(gòu)關(guān)系，模型尺寸為200m×80m，模型兩端及下部采用位移邊界條件進(jìn)行固定，模型上部施加相應(yīng)巖層重量的垂直方向均布載荷，由煤層埋深計算可知均布載荷為9.25MPa，為避免邊界效應(yīng)的影響，模型兩端各留40m的邊界保護(hù)煤柱。選擇在模型中距首采線56m的關(guān)鍵層1中的關(guān)鍵塊B下邊界前中后設(shè)置3個觀測點，記錄工作面推進(jìn)過程中三個觀測點的垂直位移以便觀測關(guān)鍵層的運動型式。觀測點以“懸臂梁”雙向回轉(zhuǎn)垮落式數(shù)值模型為例，“懸臂梁”直接垮落式、“懸臂梁”二次回轉(zhuǎn)垮落式、“懸臂梁-鉸接”結(jié)構(gòu)交替式及“砌體梁”結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型測點布置與其類似。

該運動型式主要包括4個階段。Ⅰ階段為關(guān)鍵層1破斷塊體B的“懸臂梁”結(jié)構(gòu)；Ⅱ階段為關(guān)鍵層1破斷塊體B回轉(zhuǎn)較小角度后形成的暫時“鉸接”結(jié)構(gòu)；Ⅲ階段劃分為兩個階段Ⅲ1和Ⅲ2，Ⅲ1階段為破斷塊體B從暫時“鉸接”結(jié)構(gòu)反向回轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)的過程，Ⅲ2階段為破斷塊體B由水平狀態(tài)直接垂直下沉垮落至采空區(qū)；Ⅳ階段為關(guān)鍵層1破斷塊體C的新“懸臂梁”結(jié)構(gòu)。

2 堅硬頂板垮落運動碰撞摩擦分析

現(xiàn)以“懸臂梁”直接垮落式運動為例進(jìn)行運動碰撞的分析，以“懸臂梁-鉸接”結(jié)構(gòu)交替式運動為例進(jìn)行摩擦分析?？芍?，“懸臂梁”直接垮落式下關(guān)鍵塊體破斷失穩(wěn)后直接垮落，且垮落回轉(zhuǎn)空間很大，垮落回轉(zhuǎn)碰撞采空區(qū)矸石瞬間易產(chǎn)生較大的沖擊載荷，根據(jù)此運動型式可建立“懸臂梁”直接垮落式的碰撞計算模型。

關(guān)鍵層1“懸臂梁”待斷塊體破斷后，從水平位置向采空區(qū)方向回轉(zhuǎn)垮落觸矸瞬間整個期間待斷塊體機(jī)械能守恒，即，由幾何關(guān)系可知= ，關(guān)鍵層1關(guān)鍵塊的慣性矩為，關(guān)鍵層1關(guān)鍵塊開始運動時速度為0，即，關(guān)鍵層1關(guān)鍵塊重量為，關(guān)鍵層1關(guān)鍵塊碰撞時速度為，聯(lián)立上式可解得關(guān)鍵層1關(guān)鍵塊碰撞時速度v為：

關(guān)鍵層1“懸臂梁-鉸接”結(jié)構(gòu)交替式運動型式整個運動過程中關(guān)鍵塊鉸接塊數(shù)逐漸增加并且與原鉸接關(guān)鍵塊一起回轉(zhuǎn)下沉直至完全垮落到采空區(qū)。根據(jù)其運動型式可建立“懸臂梁-鉸接”結(jié)構(gòu)交替式下的摩擦計算模型取鉸接的關(guān)鍵塊、支架控制的直接頂和直接為一個整體，然后對O點取矩可得，其中，聯(lián)立兩式可得整個運動過程中關(guān)鍵塊的摩擦力為：

注意到，關(guān)鍵層1破斷形成穩(wěn)定“鉸接”結(jié)構(gòu)時存在“砌體梁”和“短砌體梁”兩種具體的運動型式，兩者均存在回轉(zhuǎn)失穩(wěn)和滑落失穩(wěn)模式，其分別對應(yīng)于關(guān)鍵塊的摩擦和碰撞失穩(wěn)。因此可將兩種具體運動型式合并分析，分析其回轉(zhuǎn)和滑落失穩(wěn)兩種模式。

3 121109工作面頂板垮落碰撞摩擦分析

3.1 工作面概況

新集二礦121109工作面位于礦井一水平西翼1211采區(qū)，標(biāo)高-521.5～-405.6m，面長66.3～139.1m?；夭擅簩訛?1-2煤，平均煤厚3.6m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為非突出煤層，工作面內(nèi)僅局部有偽頂，直接頂為堅硬致密的石英砂巖（含黃鐵礦膜且有結(jié)核），厚度7.0m左右。受頂板巖性、大傾角及背斜疊加影響，工作面背斜軸部局部懸頂。工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶曲及斷層等構(gòu)造發(fā)育，煤巖層產(chǎn)狀及厚度變化較大，總體傾向NNE，傾角7～50°，褶曲發(fā)育段局部大于50°，局部煤層出現(xiàn)反傾。

堅硬頂板垮落以何種型式運動取決于工作面地質(zhì)和開采條件，由于121109工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，褶皺和斷層發(fā)育，工作面在推進(jìn)過程中堅硬直接頂可能經(jīng)歷直接回轉(zhuǎn)、二次回轉(zhuǎn)、雙向回轉(zhuǎn)、“懸臂梁-鉸接”結(jié)構(gòu)交替式和穩(wěn)定“鉸接”結(jié)構(gòu)的運動型式。

3.2 頂板垮落碰撞分析

不同垮落運動型式產(chǎn)生碰撞且碰撞沖擊能量不同，具體表現(xiàn)為碰撞時速度不同。因此，應(yīng)對可能發(fā)生的運動型式分別計算垮落時的碰撞速度。關(guān)鍵塊的斷裂位置不同，其垮落碰撞的速度顯然不同，因此計算的速度應(yīng)為一個區(qū)間。

當(dāng)關(guān)鍵塊的斷裂位置和煤壁在一條直線上時，碰撞沖擊速度最小為vmin；相反，當(dāng)關(guān)鍵塊的斷裂位置和支架尾梁后方在一條直線時，碰撞沖擊速度最大為vmax。由工作面生產(chǎn)條件可知，M=3.6m，h1=0.3m，KP=1.25，B=1.75m，h=7.5m， l=33m，P0=4440kN，ls=5m，硬頂板二次回轉(zhuǎn)時形成的暫時角度θ一般為1°，將參數(shù)帶入表3堅硬頂板垮落運動的碰撞速度計算式可分別計算得其碰撞最小和最大速度，并取1.2的富裕系數(shù)計算出考慮富裕系數(shù)的總速度分布區(qū)間。綜上所述，121109工作面推進(jìn)過程中堅硬頂板破斷碰撞的速度分布。

3.3 頂板垮落摩擦分析

當(dāng)堅硬頂板以“懸臂梁-鉸接”交替運動和穩(wěn)定“鉸接”結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)失穩(wěn)時關(guān)鍵塊間均相互摩擦，運動型式不同關(guān)鍵塊間摩擦力不同，且關(guān)鍵塊斷裂位置不同其關(guān)鍵塊間摩擦力也存在差異，因此垮落摩擦力也應(yīng)為一個區(qū)間。當(dāng)關(guān)鍵塊的斷裂位置和煤壁在一條直線上時，摩擦力最小為fmin；相反，當(dāng)關(guān)鍵塊的斷裂位置和支架尾梁后方在一條直線時，摩擦力最大為fmax。由工作面生產(chǎn)條件可知，M=3.6m，h2=4.5m，B=1.75m，h=7.5m，l=33m，P0=4440kN，lk=5.2m， n一般可取2。將參數(shù)帶入表3堅硬頂板垮落運動的摩擦力計算式可分別得到其碰撞最小和最大摩擦力，并取1.2的富裕系數(shù)計算出考慮富裕系數(shù)的總摩擦力分布區(qū)間。綜上所述，121109工作面推進(jìn)過程中堅硬頂板關(guān)鍵塊間摩擦力分布如表1所示。

4 結(jié)語

（1）通過UDEC軟件進(jìn)行了堅硬頂板六種垮落運動型式的數(shù)值模擬分析，揭示了不同垮落運動型式的關(guān)鍵層1破斷塊體運動的階段特征。（2）建立了六種頂板垮落的碰撞及摩擦計算模型，通過推算給出了各運動型式碰撞時碰撞速度及摩擦?xí)r摩擦力的計算公式。（3）計算得出121109工作面石英砂巖垮落碰撞速度區(qū)間理論值為2.78～8.31m/s，考慮富裕系數(shù)值為3.34～9.97m/s；工作面石英砂巖垮落摩擦力區(qū)間理論值為8294.27～17325kN，考慮富裕系數(shù)值為9953.12～20790kN。

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