断裂缺陷防治冲击地压力学机制

3.4　断裂缺陷防治冲击地压力学机制

断裂缺陷一般指顶板断裂破坏，带有巨大能量的断裂增强冲击危险(有灾缺陷)，采用人为措施破坏顶板完整性、降低其强度，对消除降低冲击地压是有利的(无灾缺陷)。

断裂缺陷防治冲击地压的力学变换条件是将有灾缺陷转化为无灾缺陷。

存在坚硬顶板的冲击危险煤层，顶板处理是关键，是消除冲击地压力源的措施。顶板缺陷包括走向与倾向，走向是消除顶板断裂能量释放，倾向是消除悬顶结构。

3.4.1　走向断裂缺陷防治冲击地压力学分析

初次来压的断裂缺陷包括三种：循环放顶、中部拉槽及端部切断；周压断裂缺陷主要是循环放顶。

(1)岩梁初次来压步距(c₀)

岩梁初次显著运动前夕，处于两端等高嵌固状态，其力学模型如图3-15所示。

岩梁开始显著运动(回采工作面开始来压)的前提是在端部拉开，其力学条件为：

图3-15　岩梁初次来压前夕力学模型

梁端部实际拉应力为：

则岩梁两端拉开的极限跨度为：

式中：L₀——两端开裂的极限跨度，m。

已知：L₀=b₀≈c₀，则：

若为单一岩层组成的岩梁，则m_i=0，故：

由此可得直接顶及传递岩梁初次来压步距表达式分别为：

(2)顶板断裂缺陷力学分析

如果岩梁初次来压步距过大，对工作面安全生产造成威胁，则可通过强制放顶(图3-16)减小来压步距。

图3-16　放顶处理

① 循环放顶

若要求放顶后的来压步距是未放顶时的，则对要求的放顶厚度m_E1可作如下推算：

令，可得：

则：

② 中部拉槽

中部拉槽方法是通过减小中部抗弯截面达到中部先拉开的目的。在一定跨度范围内，中部拉开后两端必然拉开。中部拉开步距就是来压步距，则：

若要求中部拉槽后的来压步距是未拉槽步距c₀的，则对拉槽厚度可作如下推算：

令，则：

因此，拉槽厚度_2Em为

③ 端部切断

端部切断后，岩梁初次来压前处于悬臂状态，则：

比较以上三种强制放顶方法，采用端部切断(m_E=m)方法后，有；而若采用循环放顶，要达到同样效果的循环放顶厚度为m；中部拉槽，要达到同样效果的拉槽厚度为()m。可见，中部拉槽的工作量最小，循环放顶的工作量最大。因此，建议在采取强制放顶减小岩梁初次来压步距时，优先采用中部拉槽处理方法。

3.4.2　倾向断裂缺陷防治冲击地压力学分析

(1)一般条件下力学模型

一般情况下，直接顶和基本顶顶板煤体从煤壁边缘处沿一定角度斜向上垮落，形成基本无“悬顶”的“悬臂”三角形结构，该结构的采空区侧是压力拱的边界，近似成线性，上边为连续岩层边界，煤柱边缘上方假设成线性结构。如图3-17所示。

图3-17　一般条件下力学模型

(2)有悬顶结构的力学模型

由于上部岩层(主要为基本顶及其上部岩层)强度高、厚度大等原因，部分煤壁处顶板随工作面推采而未垮落，形成有“悬顶”的“悬臂”梯形结构，该结构的采空区侧是压力拱的边界，近似成线性，上边为连续岩层边界，煤柱边缘上方假设成线性结构。如图3-18所示。

图3-18　有悬顶结构的力学模型

(3)理想结构的力学模型

该情况为理想状态，工作面顶板沿煤壁处垂直垮落，形成既无“悬顶”又无“悬臂”的岩层结构，该结构的采空区侧是压力拱的边界，近似成垂直直线，上边为连续岩层边界。如图3-19所示。

图3-19　理想结构的力学模型

3.4.3　力学分析

3.4.3.1　三角形结构破坏力学分析

(1)影响因素分析

悬臂三角形结构的受力与采空区垮度、深度和上部岩层强度与厚度组成有关：

① 采空区垮度：与压力拱的形态参数有关，采空区跨度越大，则结构受力就越大；

② 深度：深度越大，单位重力越大，作用在结构上的力也越大。

③ 上部岩层强度与厚度组成：岩层强度越高、厚度越大，则结构承受的力就越大。

深部大采空条件下，导致三角形结构承受大的垂直应力。

(2)三角形不稳定破坏

① 整体破坏

在上覆岩层作用下，三角形悬臂结构发生剪切破坏，来自上部的岩层压力将三角形结构切断，发生整体破坏，其力学准则为：

显然，两软煤层条件下，直接顶岩石较为软弱，因而整个结构岩层的抗剪切强度低，矸石的反作用力小，当三角形结构受到拱外岩层运动挤压作用后，将发生剪切破坏，整个结构将被剪断，发生整体垮落。如图3-20所示。

图3-20　三角型整体破坏力学模型

② 局部破坏

包括两个地方的破坏：三角形结构破坏、煤柱破坏引发的同步破坏。

(A)三角形结构破坏

如图3-21所示，结构的采空侧受力属于单轴压缩作用，当压力超过煤体的单轴抗压强度时，出现压缩破坏，即：

这种破坏属于渐进式，即上部结构层层逐渐破坏，最终导致整个结构失去稳定性；深部大采空两软煤层条件下，岩层强度低、受力大，容易发生该类型的压缩破坏。

(B)煤柱破坏引发的同步破坏

如图3-22所示，煤柱处单元体受力状态不同三角形结构破坏的受力状态，其受力状态为双向受力。

图3-21　三角型结构破坏的力学模型

图3-22　煤柱破坏引发的同步破坏力学模型

煤岩体发生剪切破坏，应用库仑准则认为，使一平面破坏的剪应力受到材料内聚力和法向应力产生的摩擦力的阻抗，所以剪切破坏准则可以表示为：

莫尔-库仑准则的破坏条件为：

库仑准则基本表达式中变量为破裂面上的正应力和剪应力，应力圆与库仑准则线相切时，岩石达到强度极限状态，则主应力σ₁、σ₃应满足如下条件：

所以：

煤柱边缘的稳定性决定了结构的稳定程度，一旦煤柱边缘出现破坏，则结构就失去着力点，结构顶端首先出现破坏，进而引发结构出现局部破坏。深部大采空两软煤层应力大，煤柱稳定性差，因此导致煤柱破坏迅速和严重，使结构容易发生破坏。

(3)综合分析

在深部大采空两软煤层条件下，三角形结构不管是发生何种形式的变形破坏，均较一般条件下严重，结构破坏时出现大的应力转移和能量释放，易于发生冲击地压。

3.4.3.2　梯形结构破坏力学分析

按照悬臂梁受弯曲的力学模型，梯形结构主要破坏形式为弯曲破坏。

结构的力学模型见图3-23所示，梯形结构上方作用一不均匀的分布力，梯形结构斜边受垮落角(θ)影响；大埋深和大采空条件下该应力大；为进一步分析梯形结构稳定性的影响因素，将梯形悬臂垮落角选定为45°，得到如图3-24所示的简化力学模型。

如图3-23所示，悬臂结构的最大弯矩为：

图3-23　梯形结构力学模型图

如图3-24所示，将梯形悬臂结构分为矩形结构和三角型结构两部分，通过计算可得：

图3-24　梯形结构简化力学模型简图

建立式3-27中弯矩与悬垮度、上部作用应力(主要与埋深和采空区范围有关)和自重的关系，可知，弯矩与悬垮度(x₀+ h)成二次方关系，与上部作用应力和自重成一次方正比关系。

当工作面上部顶板存在梯形悬臂结构时，由于悬臂范围大，一般不发生整体剪切破坏，而是发生局部破坏；深部大采空条件下，梯形悬臂结构受上部高应力和自重的作用，所受弯矩大，除结构自身发生变形破坏外，还将造成两软煤层的冲击区处形成应力集中，从而加剧该区域的变形破坏，当弯矩过大超过结构承受能力时，悬臂结构将发生断裂，造成应力转移和能量释放，诱发冲击地压。需要采取断裂缺陷技术。在超前顺槽实施断裂缺陷工程，向顶板实施深孔爆破、注水等措施，见图3-25。

图3-25　工作面切顶示意图

深孔断裂缺陷对岩层破坏作用主要表现在：

通过对顶板进行断裂缺陷的制造(深孔爆破等)，破坏顶板完整性，缩短顶板的来压步距，降低岩层由采空区向采场前方压力的传递系数，减小坚硬顶板来压强度。

深孔断裂缺陷在顺槽实施，采取连续爆破切割等技术，形成一个面缺陷结构，改变了煤岩边界力学条件、破坏条件，有利于顶板断裂，由有灾缺陷转化为无灾缺陷。

由于弱化了顶板的结构与强度，改变顶板力学性质，煤岩能量释放特征大为改变。