采场煤壁失稳机理及控制技术研究

李建胜，杨永康，康天合，张爱绒

（太原理工大学a.采矿工艺研究所；b.学报编辑部，太原030024）

随着采高的增大，煤壁失稳片帮的机率增加。煤壁片帮直接影响工作面安全生产，是生产管理中的重要指标。煤壁失稳片帮将增大工作面端面距，进而引发端面漏冒，导致顶煤顶板条件恶化，进一步引起支架不能正常接顶，支架所受载荷不均匀，容易引起支架后立柱卡环、顶梁、后立柱等部件损坏，进而引起支架围岩关系恶化，进一步导致支架围岩关系恶化而引起顶板事故和片帮事故，形成恶性循环［1］。弓培林教授［2］根据煤体裂隙分布特点，对煤壁稳定性进行了评价，并采用模糊数学方法对煤壁稳定性进行了分类；袁永博士［3］认为煤壁片帮是一个由微观裂隙发育到宏观“楔形”滑动体失稳的过程，并从微观和宏观两个角度分析其稳定性的主要因素；宁宇研究员［4］认为采用二级护帮机构、缩小端面距、提高支架工作阻力、电液控制系统实现擦顶移架、及时移架，将移架速度在8s以内可有效控制煤壁片帮；富强博士［5］认为端面控顶区顶煤冒落主要是由拉应力引起的，并提出从回采工艺和支架结构两方面解决“三软”厚煤层工作面顶板控制主要问题。目前，人们都认识到工作面前方支承压力是煤壁片帮的主要原因，煤层强度、节理裂隙发育程度、构造情况、支架性能等对煤壁片帮有影响，未考虑煤体自身的力学结构特征，对煤壁片帮的规律和机理未能深入的研究，如何定量分析及采取措施尚未解决。

1 工作面煤壁失稳机理分析

大采高综放采场易于发生煤壁片帮，为定量分析煤壁片帮，在工作面煤壁深处取任一截面，建立上端简支下端固支的受力压杆模型（图1），在均布载荷q作用下，杆件将会发生弯曲变形。距下支座距

图1 压杆的受力模型

离为x处截面上的挠曲线近似微分方程为：

式中：E为弹性模量；I为惯性矩；υ″为挠度；q为水平方向的合力；p为垂直方向压力；l为煤壁高度。

由边界条件：

1）当x＝0时，υ＝0；

2）当x＝l时，υ＝0，可得

在相同条件下，煤岩的弹性模量越大，挠度越小；在垂直方向应力越大，水平方向受力越大，边墙越高，挠度就越大。煤层开采引起煤壁垂直应力峰值向深部转移，水平应力降低区会逐步扩大和加深，水平应力释放造成合力q增大。可得如下结论。

1.1 不同煤层潜在破坏机制不尽相同

中硬煤或夹矸弹性模量大，在载荷作用下产生的弯曲变形很小，支承应力峰值大于其强度时将发生溃层屈服破坏形成块状体，深部煤体将成为为主要自承载层。可以认为，二次应力场提供能量转化为侧帮开裂、剥落等脆性破裂，在煤壁中部产生破裂、片帮（图2-a）。

软煤弹性模量较小，在煤壁浅部由于水平受力较大而挠度增大，煤体将剪切滑移、错动、失稳坍塌，流向回采工作面且以水平位移为主；煤壁深处由于q减小，水平方向位移逐渐减小，在竖直方向有向上下硬夹层挤压的趋势。可以认为，二次应力场提供能量转化为位移或局部弱化，在工作面上表现为整体滑移失稳（图2-b）。

斜沟13号煤为中硬煤，中间有夹矸，层状煤与矸石受支承应力作用后，破裂面沿层面发展，软弱煤层屈服范围反而少。煤体的变形与破坏是不均匀的，变形与受力不协调现象一旦加剧则可能出现大面积的片帮冒顶。

1.2 采用注浆或锚杆支护防治煤壁片帮

采用注浆或锚杆支护防治煤壁片帮的目的是减缓或阻止水平应力的释放，减缓水平应力向纵深发展。加固煤壁后，能增加煤岩大小结构体移动或滚动的阻力，减小q促使岩体形成承载墙，阻止边墙帮部岩体垮落。

1.3 降低煤壁片帮

降低煤壁片帮率的最有效措施是减小边墙高度，即降低采高，这又与高产高效相矛盾。

图2 大采高煤壁片帮示意图

2 采场煤壁控制技术

2.1 现有防治煤壁片帮方法

在现有技术中有四种防治工作面煤壁片帮的方法，但实践证明现有技术对煤壁的作用存在着局部性、滞后性、被动性、有限性和危险性：

1）采用液压支架的护帮板维护工作面煤壁和端面的稳定。护帮板仅对煤壁的上部局部范围有水平推力，作用不到片帮最为严重的中部，且岩体暴露时间与护帮板不能同步。

2）在煤壁上安装可截割的护帮锚杆或煤壁钻孔注浆固结煤壁。安装锚杆和注浆加固需要时间长，来不及实现煤体自承载且影响采煤作业。

3）提高液压支架的支护阻力。提高支护阻力后支架的设备增大，成本增大，效果也十分有限。

2.2 台阶煤壁采煤法

根据压杆的受力模型，提供了一种能够从根本上解决工作面煤壁片帮和端面顶板冒漏，并可实现安全、高效生产的厚煤层大采高工作面台阶煤壁采煤方法（已申请发明专利，申请号：200910073898.4）。如图3所示，将煤壁分成两个台阶，台阶煤壁由台阶面、台阶面上煤壁与台阶面下煤壁构成；所述的台阶煤壁在工作面推进过程中，台阶面上煤壁始终超前台阶面下煤壁。此方法有显著效果：

1）将大高度平直煤壁改变成前后错开的两个煤壁，避免超高煤壁长时间停留造成片帮冒顶。台阶面上煤壁承受的顶板应力向下转移到了台阶面下煤壁的深处，作用在煤壁上应力状态由煤壁浅部的二向应力状态转变为深部三向应力状态，同时释放了顶板传递给台阶面下煤壁的支承应力q，使台阶面下煤壁为无载荷煤壁，改善了大采高工作面煤壁的稳定性。

图3 台阶煤壁采煤方法示意图

2）当发生煤壁片帮和顶板端面冒漏，片帮或冒漏的煤和岩石会掉落在台阶面上，或在台阶面上低位滑落，从而可以确保位于台阶面下煤壁前机道处的人员和设备的安全，实现安全、高效生产，有利于大采高综放开采技术的推广应用。

3 结论

1）为定量分析煤壁片帮，建立受力压杆模型，对煤壁破坏机制进行了分析。

2）提出采用台阶采煤法解决煤壁片帮及由煤壁片帮引起的端面冒漏问题。

3）台阶煤壁采煤方法期待进一步工程验证。

［1］ 杨永康.特厚煤层大采高综放采场覆岩移动规律及围岩控制研究 ［D］.太原理工大学，2012.

［2］ 弓培林.大采高采场围岩控制理论及应用研究［M］.北京：煤炭工业出版社，2006.

［3］ 袁永.大采高综采采场支架－围岩稳定控制机理研究［D］.徐州：中国矿业大学，2011.

［4］ 宁宇.大采高综采煤壁片帮冒顶机理与控制技术［J］.煤炭学报，2009，34（1）：50-52.

［5］ 富强，闫少宏，吴健.综放开采松软顶煤落放规律的理论研究［J］.岩石力学与工程学报，2002，21（4）：568-572.