大采高工作面煤壁破壞機制研究

謝亞濤 史志祥

摘要：現如今，在我國綜合國力不斷提升的大背景下，國內的工程也逐漸被人們重視起來。針對大采高工作面煤壁易發生片幫、冒頂這一難題，以某工作面為背景，構建“頂板、煤壁、支架”系統力學模型，對煤壁穩定性影響因素進行敏感度分析；設計煤壁穩定性控制實驗臺對煤壁穩定性與采高、支架工作阻力、煤壁壓力及煤體強度的關系進行模擬實驗；采用UDEC數值軟件對不同采高、黏聚力、支護強度、推進距離下煤壁變形情況進行模擬。研究得到：煤壁處的頂板壓力是煤壁發生破壞的主要因素，煤體強度決定著煤壁所能承受的頂板壓力；采高越大、煤壁發生破壞時的臨界壓力越小，煤壁越不穩定；支架的支護強度越大，作用在煤壁處的壓力就越小，煤壁越穩定，但提高支護強度對于控制煤壁破壞的作用是有限的；支架護幫板在控制塑性區煤體繼續破壞起的作用不大。煤壁破壞前，煤體具有較大的變形量，且煤壁破壞位置多發生在煤壁中上部，為采高的60%～70%。研究成果為煤壁片幫的防治提供了基礎。

關鍵詞：大采高；工作面；煤壁破壞；機制

引言

大采高開采技術于20世紀80年代引入國內，并得到快速發展。且隨著綜合機械化水平的提高，大采高開采以其高產、高效的優點成為我國厚煤層開采的主要技術。但制約大采高工作面安全、高效開采的主要問題是煤壁片幫與端面冒頂。煤壁片幫增大了端面無支護空間，導致端面冒頂；端面冒頂進一步加劇了煤壁破壞程度。煤壁片幫惡化采場支架與圍巖關系，嚴重威脅工作面人員安全，影響礦井的正常生產。因此，分析煤壁破壞的影響因素，掌握煤壁破壞機制，是防治煤壁片幫的基礎和依據。目前，國內學者對煤壁片幫機制與防治進行了大量研究，取得了重要成果。目前對煤壁破壞機制與防治技術的研究發現：煤壁穩定性受煤層賦存特征和開采條件影響較大，主要影響因素包括采高、煤體強度、煤壁壓力、支架阻力。但這些因素是如何影響煤壁穩定性的，仍需要進行系統研究。論文以王莊礦工作面地質條件為背景，采用理論分析，三維相似模擬和UDEC數值模擬分析了煤壁穩定性與采高、支架工作阻力，煤體強度、煤壁壓力之間關系，以期為煤壁片幫防治提供依據。

1大采高工作面煤壁片幫機制

隨著近些年綜采設備不斷朝著大型化、重型化發展，大采高綜采技術已在中國神東、晉城、大同等幾個煤炭主要產區得到廣泛使用，大采高綜采以資源回收率高、生產能力大等優點已取得了可觀的經濟與社會效益。但不少大采高綜采工作面工程實踐表明：由于工作面采高上限的不斷突破，直接導致了煤壁片幫事故發生頻次增加，加大了液壓支架的架前空間，迫使頂板煤（巖）冒落，嚴重影響工作面正常推進速度與循環作業，同時易引起其它礦井災害的發生，因此煤壁片幫事故的防治是大采高綜采工作面亟待解決的難題之一。只有弄清大采高綜采工作面片幫機理及深度才能從根本上防治煤壁片幫，進而完全發揮大采高綜采工作面潛力。

引起大采高工作面煤壁片幫的因素有自然因素和生產技術因素，包括煤體內摩擦角、黏聚力、埋深、采高、支架支護強度、工作面推進速度、工作面開采角度、支架護幫板水平推力、工作面長度等。根據大采高工作面前方支承壓力分布規律，在煤層開采過程中，頂板、煤層、底板三者構成一個平衡系統。在該系統中，頂底板巖層的強度均比煤層大，一旦受到煤層開采的影響，就會引起煤層周圍原巖應力的重新分布和煤體內部微裂隙不同程度地損壞，造成煤體強度、彈性模量、內摩擦角和黏聚力等參數降低，改變了煤體的承載能力；伴隨著工作面的不斷推進，一旦煤壁應力超過其強度極限，就會造成工作面煤壁發生片幫。因此，在煤質疏松的工作面進行大采高開采時，煤壁片幫問題相對難以控制。

煤壁片幫破壞形式主要有張性斷裂和剪切滑移兩種。煤壁拉裂破壞經常發生在脆性硬煤中，主要受到頂板壓力的作用，煤壁內部會產生橫向拉應力。當橫向拉應力大于煤體的抗拉強度時，煤壁就會出現拉裂破壞，同時常伴有破裂聲響。對于軟煤層，當受到頂板壓力及煤體自重的雙重影響時，煤壁內部會產生橫向拉應力，同時軟煤層的橫向及蠕動變形會造成橫向拉應力的釋放，當煤壁內部的剪應力大于抗剪強度時就會產生剪切滑移破壞。根據工作面煤壁片幫的現場實測并結合煤層結構的性質可知：作面煤層結構松軟，因此可推測煤壁片幫破壞的形式以剪切滑移為主；同時，工作面片幫的發生主要受到地質構造、頂底板性質、采煤高度、工作面推進速度等的影響。

2工作面煤壁漸進劣化特征與力學機制分析

2.1工作面煤壁漸進劣化特征

工作面煤壁劣化破壞是相對復雜的力學過程，其中工作面臨空煤壁在受采動應力與構造應力影響的同時，又會受到深部煤體對其的彈性約束，從斷裂力學角度分析，當工作面煤壁與深部煤體間拉力或相對位移達到一定極限時，工作面煤壁會出現離層裂隙，而隨著煤壁無彈性支承區域的變形量繼續增長，煤壁內部裂隙損傷存在著明顯的積累與發展，如果離層裂隙發育至相互貫通，就易造成煤壁大面積片幫失穩。煤體內部受壓應力條件下時裂隙沿平行或偏向最大主應力α1方向擴張形成劈裂破壞，工作面煤壁薄板受力模型如圖1，煤壁漸進劣化損傷特征如圖2。

2.2工作面煤壁片幫力學機制與位置

工作面煤壁承受來自前方煤體的水平擠壓力以及頂板覆巖的自重應力，為了方便分析煤壁水平方向上產生撓度的大小，可對煤壁受力進行適當簡化處理，即忽略煤壁的自身重力與煤壁豎直方向上的壓縮變形，大采高工作面煤壁簡化后模型如圖3。

圖3中：q為水平載荷集度；Ff為煤層與頂板間摩擦阻力；p為頂板壓力；l為采高。取O點為坐標原點，以豎直向下為x軸，水平向右為y軸建立平面直角坐標系，對簡化后的大采高煤壁模型進行受力分析。

3煤壁片幫控制措施

根據霍爾辛赫煤礦大采高工作面的具體條件，并結合煤壁片幫現場觀測結果，提出了以下措施來控制工作面煤壁片幫。

3.1采用俯斜開采

工作面受巖層分布的影響，仰斜開采區域較多，工作面煤壁穩定性隨仰采角度的增大而降低，從而更易誘發煤壁片幫。因此，采用俯斜開采可避免煤壁片幫的發生或者減輕片幫的嚴重程度。

3.2加固工作面煤壁

工作面煤層的普氏系數只有0.5～0.6（松散狀或者土狀），其頂板屬于典型的松軟破碎頂板，因此可采用注漿加固的方法來加固煤壁以提升煤體的強度。

3.3加快工作面推進速度

研究表明：當工作面推進速度比較緩慢時，會導致煤壁暴露時間較長，從而引發采動應力的集中，使得煤壁支承壓力增大，加速裂隙的發育。因此，通過加快工作面的推進速度可減少支承壓力對煤體的作用時間以及降低煤壁的損傷程度，從而可以減少煤壁片幫的發生。為此，設計工作面的推進速度應不小于5.6m/d。

3.4其他控制技術

適當提高工作面支架的初承力及工作阻力，采取及時有效的支護方式，并實行全方位連續動態監測工作面礦壓等。

結語

采高越大，使煤壁破壞的壓力越小，煤壁越不穩定；煤體黏聚力越大，煤壁所能承受的臨界壓力越大，煤壁越穩定；在一定程度內提高支架初撐力有助于減輕煤壁破壞程度。工作面煤壁破壞前，煤體具有較大的變形量，且煤壁破壞位置多發生在煤壁中上部。研究成果為煤壁片幫的防治提供了依據。

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