為使問題合理簡(jiǎn)化，假設(shè)作用在基本頂關(guān)鍵層下表面的矸石填充載荷Fs（x）是沿x軸正方向線性減小的三角形荷載。由于靠近煤壁區(qū)域填充較為密實(shí)，可將x=Ls處的煤壁支撐力近似為σy（Ls）。則Fs（x）滿足式（2）：

L1+Ls－x

Fs（x）=σy（Ls）（Ls≤x≤（L1+Ls））

L1

（2）

基本頂上部受到上覆巖層載荷G及水平構(gòu)造應(yīng)力Fh共同作用，可簡(jiǎn)化為沿煤層傾斜方向梯形載荷Fd（x）。根據(jù)地應(yīng)力研究可知，F(xiàn)h=λρgH。設(shè)巖梁沿走向方向的寬度為單位長(zhǎng)度，則任意截面處基本頂上部載荷Fd（x）表達(dá)式如式（3）所示：

，傾斜

懸頂結(jié)構(gòu)力學(xué)模型可視為3個(gè)簡(jiǎn)單力學(xué)模型的疊加：

基本頂在上側(cè)OA段線性載荷Fd（x）（圖5（a））+頂板下端BC段矸石支撐作用下的三角線性荷載Fs（x）（圖5（b））+頂板下端OB段塑性弱化區(qū)煤壁支撐作用下的線性載荷σy（x）（圖5（c））。

根據(jù)超靜定理論

［13］

可知，以上力學(xué)模型為一次

F2，F(xiàn)3后，超靜定結(jié)構(gòu)，通過解除多余支撐反力F1，得“一端固定，到一端自由”的基本靜定系。再利用單得到3個(gè)位荷載法與莫爾積分法求解變形協(xié)調(diào)方程，最終可推導(dǎo)出3個(gè)力學(xué)力學(xué)模型的支撐反力的大小，

Mσy（x），MFs（x）。根據(jù)模型的梁內(nèi)彎矩函數(shù)MFd（x），

疊加原理，得到如式（4）傾斜懸頂結(jié)構(gòu)梁任意x處的彎矩函數(shù)M（x）。

增刊2張基偉等：

大傾角特厚煤層懸頂結(jié)構(gòu)能量分布特征與防沖方法

319

圖5“傾斜懸頂結(jié)構(gòu)”受力分解

Fig.5

Inclinedroofhangingstructureforcedecomposition

?（l－x）（4Fd（0）+11Fd（l））l－（4Fd（0）+11Fd（l））－Fd（l）（l

?4062?

q1（Ls－x）3σy（Ls）（Ls－x）2σy（Ls）L1（L1?

++σy（Ls）Y3+?6Ls26

??（4Fd（0）+11Fd（l））l（4Fd（0）+11Fd（l））Fd（l）（l

－－－（lx）?4062?

M（x）=?3

+－（L）（L）（L）Lxσσysys1s?Y3+（Ls＜x＜Ls+L1）

?6L12l3?

?（l－x）（4Fd（0）+11Fd（l））l－（4Fd（0）+11Fd（l））－Fd（l）（l?4062?

σy（Ls）?Y3（Ls+L1≤x≤l）?3

?2l

[[[

－x）

－（q1Y1+σy（Ls）Y2）+

（0≤x≤Ls）

]

+Ls－x）－x）

－（q1Y1+σy（Ls）Y2）+

（4）

]]

－x）

－（q1Y1+σy（Ls）Y2）+

式中，q1=σy（0）－σy（Ls）；l=L+Ls；Y1=

1

×2l3

(13143LsL+Ls；Y2=3452l)(13141

LsL+Ls；Y3=3×342l)

[

（L1+Ls）

2

(

1117413

L1Ls+L1L－L2L－LL1+26601413

)()]。

Y1，Y2，Y3均趨近于0，其中，可以忽略不計(jì)。

由于懸頂走向長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于傾向長(zhǎng)度，所以剪切變形能與彎曲變形能相比，一般很小，所以可忽略不計(jì)。

（4Fd（0）+11Fd（l））l（4Fd（0）+11Fd（l））

－，設(shè)A=根據(jù)彎曲變形能與彎矩之間的關(guān)系，可得到該結(jié)構(gòu)上任

406

意x處的彈性變形能表達(dá)式（5）：

q1（Ls－x）3σy（Ls）（Ls－x）2σy（Ls）L1（L1+Ls－x）2Fd（l）（l－x）?1（l－x）+++A－?2EI6Ls262

?

（0≤x＜Ls）???1q1（Ls－x）3σy（Ls）（Ls－x）2σy（Ls）L1（L1+Ls－x）2Fd（l）（l－x）

U（x）=?+++（l－x）A－

2EI6L262s??（Ls≤x≤Ls+L1）?

F（l）（l－x）?1

?（l－x）2A－d（Ls+L1＜x≤l）?2EI2

{{

[[

}}

[]

（5）

320

煤

大傾角煤層頂板能量分布特征

炭學(xué)3

報(bào)

2014年第39卷

2.3

根據(jù)松動(dòng)圈與地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，在式（5）中取c=5.486，L=90m，Ls=2.4m，L1=10m，m=φ=40°，

38m，E=15GPa，g=10N/kg，H0=ρ=2306kg/m，

頂板彎曲變形能釋放機(jī)理分析

根據(jù)以上對(duì)大傾角煤層傾斜懸頂結(jié)構(gòu)誘發(fā)沖擊

釋放頂板內(nèi)聚集大量的彎曲地壓機(jī)理的分析�？梢�，

變形能是大傾角特厚煤層防沖成敗與否的關(guān)鍵。所

以根據(jù)大傾角煤層頂板內(nèi)彎曲變形能分布特征，對(duì)能量聚集區(qū)域進(jìn)行定向能量釋放。

因此定向能量釋放區(qū)域可以劃分為端頭弱化區(qū)（I區(qū)）、基本頂弱化區(qū)（Ⅱ區(qū)）如圖7所示

。

=1.2Fd（0），440m，［λ=1.6，σy，并將結(jié)果代入到max］可得到傾斜懸頂結(jié)構(gòu)任意x處的彎曲變形能公式中，

彎曲變形能U的分布特征曲線如圖6所示。在非對(duì)稱荷載作用下傾斜懸頂結(jié)構(gòu)的最大彎曲能量點(diǎn)位于

煤壁支撐區(qū)內(nèi)即x=0。其原因?yàn)樵诿罕谒苄詤^(qū)內(nèi)懸σy（x）共同作用導(dǎo)致的。所以聚集大頂受到Fd（x），

量彈性能的臨空區(qū)域內(nèi)煤體處于亞穩(wěn)定狀態(tài)

［14］

，一

旦發(fā)生煤巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，則容易超過系統(tǒng)動(dòng)力失穩(wěn)的臨界值Ukmin，導(dǎo)致沖擊地壓。因此，該礦沖擊地壓通常發(fā)生在靠近端頭區(qū)域頂板巷

。

圖7Fig.7

傾斜懸頂結(jié)構(gòu)能量釋放機(jī)理示意roofhangingstructure

Schematicofenergyreleasemechanismon

圖6“傾斜懸頂結(jié)構(gòu)”能量分布特征曲線Fig.6

Energydistributioncharacteristiccurvesofinclinedroofhangingstructure

端頭弱化區(qū)（I區(qū)）的范圍在工作面下端頭，其坐

標(biāo)為x=0至x=1/6l。該區(qū)域內(nèi)工作面頂板由于受到σy（x）與Fs（x）作用，儲(chǔ)存該區(qū)域內(nèi)彎曲變形能基本不隨頂板斷裂而釋放，所以該區(qū)域內(nèi)能量的釋放量Ut≈0（Ut為區(qū)域內(nèi)彈性能增量）。但是一旦發(fā)生頂板失穩(wěn)，容易導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)處于臨界狀態(tài)的煤體突然所以容易在頂板巷開幫線附近發(fā)生沖擊地壓。失穩(wěn)，

所以I區(qū)的防沖機(jī)理為利用頂板深孔爆破定向?qū)⒃搮^(qū)域中儲(chǔ)存的彎曲彈性能Us耗散，使得Ut≈Us。從而保證該區(qū)域在開采擾動(dòng)時(shí)彎曲變形能處于較低水平。同時(shí)也有利于該區(qū)域巷道的維護(hù)與穩(wěn)定。

基本頂弱化區(qū)（Ⅱ區(qū)）的范圍在工作面中上部區(qū)域，其坐標(biāo)為x=5/9l至x=7/9l。通過彎矩結(jié)果可知該區(qū)域懸頂在x=2/3l處最先斷裂。在頂板斷裂過程中該區(qū)域內(nèi)彎曲變形能基本全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能釋放，即Ut≈E。根據(jù)頂板巖層誘發(fā)沖擊礦壓的沖能原理

可知，當(dāng)E＞Emin時(shí)，則容易在斷裂區(qū)域附近的煤巖體中發(fā)生沖擊地壓。

所以Ⅱ區(qū)的防治機(jī)理為預(yù)先降低該區(qū)域頂板內(nèi)儲(chǔ)存的彈性能，降低基本頂在斷裂過程中產(chǎn)生的動(dòng)能，保證斷裂后彈性變形能轉(zhuǎn)化的動(dòng)能E＜Emin。

由以上頂板彈性變形能釋放機(jī)理分析，預(yù)先對(duì)頂懸頂中彎曲變形能分布將會(huì)板進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域弱化后，

由1曲線變?yōu)?曲線�？梢�，頂板超前的重點(diǎn)區(qū)域弱

［16］

懸頂結(jié)構(gòu)中上部區(qū)域的能量分布具有非對(duì)稱特

征。該部分的最大能量聚集點(diǎn)位于x=2/3L處，偏離Ft的共同其幾何中心。其原因?yàn)樵搮^(qū)域受到Fd（x），作用。相對(duì)于懸頂下部的充填區(qū)，中上部的頂板破斷后自由度較大。頂板破斷下沉后，該區(qū)域內(nèi)儲(chǔ)存的103J的彎曲變形能大部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能突然釋放，容易導(dǎo)致在工作面中上部區(qū)域發(fā)生較強(qiáng)烈的沖擊地壓

［15］

。

此外，可以看出傾斜懸頂結(jié)構(gòu)能量值隨傾角增大而增大，特別是傾角θ由30°增長(zhǎng)至45°時(shí)增長(zhǎng)量較大。但是能量峰值的位置與傾角變化關(guān)系不大。其原因?yàn)轫敯逯猩喜繀^(qū)域內(nèi)大部分彎曲變形能是由Fd（x）作用導(dǎo)致的。而Fd（x）與θ存在函數(shù)關(guān)系（式（3）），所以頂板中上部區(qū)域的能量值與煤層傾角θ呈正比關(guān)系。頂板下部區(qū)域內(nèi)受到Fd（x）與σy（x）共同作用，與Fd（x）方向相反的荷載σy（x）抵消了一在其它條件相同時(shí)，煤層部分Fd（x）的作用。因此，

傾角增大，頂板中上部區(qū)域內(nèi)彎曲變形能聚集程度相應(yīng)增大，更容易中上部區(qū)域發(fā)生沖擊地壓。

增刊2張基偉等：大傾角特厚煤層懸頂結(jié)構(gòu)能量分布特征與防沖方法

321

化可實(shí)現(xiàn)在避免人力、物力等資源浪費(fèi)的情況下，最大程度的消耗頂板內(nèi)彎曲變形能，降低發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)。

4大傾角煤層頂板能量釋放效果分析

根據(jù)頂板彎曲變形能釋放機(jī)理分析可知，利用超前頂板深孔爆破預(yù)先消耗Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)內(nèi)儲(chǔ)存的能量。本文利用UDEC數(shù)值模擬軟件對(duì)頂板能量釋放效果進(jìn)行分析。為了得到能量釋放后的彈性能分布規(guī)律，本文將2個(gè)高能區(qū)內(nèi)頂板的所有塊體近似為E，μ較低的彈性體，則能滿足頂板能量釋放后彈性模量、強(qiáng)度、彈性能等因素減少的條件。根據(jù)彈性體的能量

［17］

原理，得到頂板彈性能釋放前后彈性能密度等值線圖。

如圖8所示，在頂板能量釋放前，Ⅰ區(qū)能量為3200～4000J，可見巷道開挖后，處于巷道周圍的彈性能較低，下端頭的能量普遍較高。Ⅱ區(qū)頂板儲(chǔ)存能量為2400～3200J，其分布規(guī)律與懸頂彎曲變形能分布規(guī)律基本相同，可見超前頂板內(nèi)大部分能量在工作面回采后仍儲(chǔ)存在懸頂中，如預(yù)先消耗超前頂板內(nèi)能量，則能達(dá)到預(yù)期的防沖效果

。

圖9Fig.9

頂板彈性能釋放后彈性能密度等值線Distributionofelasticenergyafterreleasing

2D

“人”“ㄟ”字型彈性能分叉中的是由于弱化區(qū)域

之間的頂板仍然具備聚集與傳遞能量能力。外層承載結(jié)構(gòu)內(nèi)高能量在G與Fh共同作用下，主動(dòng)向未弱化區(qū)的低能量區(qū)域方向傳遞，在傳遞路徑上能量逐級(jí)遞減，直至能量梯度為零為止。此外，釋放區(qū)的剩余能量也聚集在此區(qū)域內(nèi)。

由于受到“人”字型彈性能分叉中“ㄟ”的影響，超前頂板深孔爆破后動(dòng)版中下部區(qū)域的彈性能聚集

表現(xiàn)為在周期來壓期間，工作面下部支架程度較高，

的安全閥開啟，片幫較嚴(yán)重�？梢�，僅消耗大傾角煤

層頂板兩重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)彈性能，容易在工作面中下部區(qū)域，特別是下出口與圓弧段等處形成高能聚集區(qū)，構(gòu)成了頂板超前弱化后發(fā)生沖擊地壓的主要災(zāi)源。

5大傾角特厚煤層頂板防沖方法研究

根據(jù)效果分析結(jié)果可知，大傾角特厚煤層沖擊地

壓防治方法應(yīng)當(dāng)以預(yù)先主動(dòng)釋放頂板內(nèi)賦存的彈性能、切斷次生彈性能傳遞路徑、減小次生彈性能致災(zāi)

圖8Fig.8

頂板彈性能釋放前彈性能密度等值線Distributionofelasticenergybeforereleasing

的可能性為核心思想。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，提出彈性能定向釋放防沖方法。

該方法分為2個(gè)階段，分別為頂板能量釋放階段與次生能量消耗階段。頂板能量釋放階段是利用超前頂板深孔爆破預(yù)先耗散重點(diǎn)防治區(qū)域內(nèi)積聚的彈性能。次生能量消耗階段需分為3個(gè)步驟，達(dá)到能量降低發(fā)生次生災(zāi)害的危險(xiǎn)。①在超前頂逐層遞減，