基于能量准则的大采高综采面煤壁片帮机理分析

祝凌甫

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

基于能量准则的大采高综采面煤壁片帮机理分析

祝凌甫

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

大采高工作面煤壁片帮冒顶严重影响工作面的产能和效能，通过分析大采高开采煤壁破坏典型的受拉破坏特征，得出了大面积片帮的板状失稳机理；采用线弹性能准则、脆性准则以及RQD指标来对大采高开采时煤壁的稳定性进行了评价；还探讨了割煤高度与煤壁片帮的关系，得出了特定煤层赋存条件下开采的临界稳定高度计算依据，提出了预防煤壁片帮的技术措施。

能量准则；大采高综采；煤壁片帮；片帮机理

在工作面采煤过程中，尤其对于大采高工作面，采煤机割煤前后护帮板收回，通常会发生煤壁片帮，有时片帮范围及片落煤体块度大，造成刮板输送机无法正常启动和运行、阻塞采煤机通过等，降低采煤机有效开机率；此外，煤壁片帮易诱发端面冒顶事故，严重制约大采高工作面生产效率的提高，并给现场作业人员及设备带来一定的危害。因此，研究大采高工作面煤壁片帮机理及其控制技术对于现场管理非常必要[1]。

1 大采高工作面煤壁片帮机理

1.1 煤壁片帮理论分析

煤壁大面积片帮失稳是一个极为复杂的力学过程，与地质构造、煤岩物理力学性质、煤岩层的力学结构以及结构的变形等有关系。对于浅埋煤层，由于风化、裂隙发育、完整性差，对于大采高工作面煤壁内部常存在张性破裂面，可运用断裂力学知识加以解释。煤岩内部存在的原始微裂纹是随机分布的，在无围压、煤岩承受一定的轴向压力时，微裂纹首先发生摩擦滑动和自相似性扩张，继而发生弯折扩展，产生的弯折裂纹会沿着最大主应力方向(轴向力方向)发展，导致最终的劈裂破坏，形成平行于轴向力的张性破裂面，见图1，图中σ1为轴向力，σ2为围压。

图1 煤岩受压劈裂破坏示意(σ2=0)

随工作面的推进，新暴露煤壁的围岩应力状态不断发生改变，由初次状态转变为二次状态，切向应力升高，而径向应力降低至零。煤壁内部产生的弯折裂纹则沿着切向应力方向发展，微裂纹贯通后，形成平行于开挖面的张性破裂面。

将煤体内部对临空面煤壁的作用视作弹性约束，受重力场和构造应力场的作用，工作面煤壁将向临空面产生形变。煤体属于脆性体，当临空面煤壁与内部煤体之间的拉力或相对位移超出一定值时出现离层，由于受到深部煤体的位移限制[3]和重新分布应力的影响，扼制了离层快速扩展。煤板上无弹性支承段随变形增长，裂隙逐渐扩大，而弹性支承段则迅速断裂，造成煤壁大面积片帮失稳[4]。

从断裂力学角度看，煤岩体内存在着微裂纹，当其受纵向作用力时，将会平行或偏向最大主应力σ1的方向扩张，从而形成劈裂破坏，如图2所示。所以对于脆性煤层，工作面板裂片帮并非完全呈薄板状，有可能呈现“洋葱片”状、中间厚两边薄的透镜状或楔形形状[5]。

图2 压应力条件下裂纹端部破裂方向

由于超前支撑压力作用，煤壁和内部实体煤之间的粘结力减弱，将超大采高综采面煤壁视作薄板，根据图3建立力学模型，对于临空面煤层薄板，内部蓄积的弹性变形能V计算如下：

图3 煤壁薄板受力模型

(1)

外力所做的功为板的两端相互趋近时dp=σcrrdy所做的功，沿板宽b积分，则有

(2)

对于宽板，b≫l，化简后可得

(3)

式中，E为弹性模量；μ为泊松比；l为板长；b为板宽；t为薄片长度；ω为转动矢量；U为位移矢量；σcr为临界压力。

上式说明，煤壁发生大面积片帮失稳与材料的弹性模量E和泊松系数μ紧密相关。拉张型破裂面产生后，形成平行于工作面的煤板，若其并没有进一步受到扰动破坏，而是随着工作面围岩变形的增加积聚能量，当储能达到一定程度时，煤板受到微小扰动就能失稳、断裂，煤壁产生大面积垮落或煤块被抛出，造成工作面煤壁灾变和失稳。

2.2 大采高工作面片帮数值分析

为了进一步分析超大采高回采过程中可能形成的片帮情况以及片帮规模，采用PFC软件对回采过程进行离散元数值模拟分析。根据赵庄矿开采条件，建立了数值分析模型，基础模型宽度80m，各模拟煤岩层的厚度分别为：煤层6m，5.5m，5m，4.5m，粉砂岩顶板8m，中粒砂岩顶板8m，泥质粉砂岩顶板9m。其上载荷全部施加到上方载荷层。开挖过程考虑到边界效应的影响，左侧预留20m煤柱，右侧预留20m煤柱，采高6m时开挖之后煤壁片帮形态如图4所示。

图4 煤壁片帮应力束分析(采高6m)

对开挖后煤壁片帮情况进行详细分析，首先分析工作面前方的支承压力分布情况，其形成的应力束如图4所示。经过分析，6m割煤高度时超前支承压力的峰值区域在工作面煤壁前方5m处，割煤高度5.5m，5m，4.5m时，支承压力峰值区域在工作面煤壁前方2m处。煤壁呈现明显的板状破坏，即煤壁受拉损伤后和内部实体煤之间的粘结力减弱，一旦失稳，将造成倒墙式片帮。

对煤壁片帮的规模进行了详细分析，认为6m割煤高度时煤壁相对稳定高度在4m左右，4m以上高度极其容易失稳，片帮深度多在0.5～1m左右，上方2m范围内发生较严重的片帮，片帮深度达1m，呈现三角形区域整体滑落状态，如图5所示。5.5m割煤高度情况下片帮情况与6m类似，中上部约1m范围内发生深度达0.5m的片帮；5m，4.5m割煤高度下仅在煤壁发生轻微片帮。

图5 煤壁片帮规模分析(采高6m)

数值模拟可知，大采高开采，煤壁破坏呈现明显的受拉破坏特征，即大面积板状失稳。各割煤高度下，在煤壁前方均形成明显的应力集中现象，煤壁处的煤体应力发生明显降低。煤岩体颗粒发生破坏的地方，速度矢量明显增大。片帮规模和煤层的物理力学性质和煤壁前方能量积聚程度密切相关。

2 超大采高工作面片帮程度分析

2.1 片帮程度判别的能量准则

大采高工作面小规模的煤壁松脱就是片帮，大规模的炸帮炸顶乃至灾变往往伴随有煤炮，煤壁大面积层状快速剥落，实际上就是煤层中的岩爆。岩爆是一种动力失稳地质灾害，是围岩因开挖卸荷，导致储存于岩体中的高弹性应变能突然释放而产生的煤岩体爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷。岩爆的发生取决于煤岩层的能量蓄积程度和自身脆性，可以用岩爆的线弹性能准则、脆性准则以及RQD指标来对赵庄矿大采高开采时煤壁的稳定性进行评价[6]。

2.1.1 线弹性能准则

单轴受压条件下，煤岩试样达到峰值强度之前所储存的弹性变形能计算如下式：

(4)

式中，σc为单轴抗压强度，MPa；Es为卸载切线弹性模量，MPa。

可根据计算的We将岩爆划分为4个等级：

(1)We<40kJ/m3，无岩爆倾向。

(2)40≤We<100kJ/m3，低岩爆倾向。

(3)100≤We< 200kJ/ m3，中岩爆倾向。

(4)We≥200kJ/m3，强烈岩爆倾向。

结合煤岩物理力学性质试验测试结果，可计算出赵庄矿煤层线弹性能的大小，见表1。

由表1中结果可知，对3号煤层进行了煤岩物理力学测试，计算的线弹性能为17.86kJ，远小于100kJ，表明赵庄矿3号煤层属于无岩爆倾向煤层，不易产生能量的蓄积。根据历次煤岩强度测试，赵庄矿3号煤层的硬度系数为1左右，不属坚硬煤层，围岩较破碎，难以产生大量的能量蓄积。在一

表1 部分矿井煤层脆性系数和弹性能计算结果

定程度上也反映了赵庄矿的围岩状况，即实际开采过程中会出现一定程度的片帮现象。

2.1.2 脆性准则

煤岩的单轴抗压强度与抗拉强度之比称为脆性系数，它反映了煤岩的脆性程度。脆性系数为

B=σc/σt

(5)

式中，σc为煤岩单轴抗压强度，MPa；σt为煤岩单轴抗拉强度，MPa。

赵庄矿3号煤层的脆性系数计算结果如表1所示，研究表明，当B<40，属于无岩爆，因此，赵庄矿3号煤层无岩爆倾向。

2.1.3 RQD指标分析

煤岩体裂隙发育程度能间接反映其产生岩爆的倾向性，一般而言，裂隙越发育，岩体完整性越差，越不易引起高应力集中和能量积聚。赵庄矿3号煤层的平均RQD=30%～40%，完整度较差。因此，不易产生能量积聚。

2.2 赵庄矿大采高工作面片帮特征

晋城赵庄矿3号煤层属于软煤，其单轴抗压强度为10.3MPa，3305 工作面采高约6m。表2为该矿煤壁片帮深度相关的实测统计表，由表2可知，该工作面发生片帮频繁，且片帮深度大，范围广，达工作面总长度的40%。

表2 赵庄矿煤壁片帮深度、分布时期及频率统计

由表2可知，周期来压时期片帮深度超过1.5m，很容易产生冒顶漏矸现象，垮落严重时，煤块越过电缆槽延伸到支架内侧，片帮和漏矸往往都是大块。大块煤需要人工破碎，遇到大块矸石还得爆破清理。

赵庄矿大采高工作面来压期间均伴随着煤壁片帮、炸帮现象，片帮深度200～800mm，片帮形态整体呈现“凹”形分布。回风巷超前支护段副帮侧距端头5～15m范围内轻度片帮，煤壁呈鱼鳞状，片帮深度60～120mm，片帮高度距离底板1.0～2.3m；而运输巷超前支护段巷帮则无明显片帮现象，巷道顶板状况良好。

3 保持煤壁稳定性的条件和措施

3.1 保持煤壁稳定性的条件

大采高煤壁片帮增加主要是因开采深度增大后煤壁附近的脆性破坏区和塑性区宽度增大所致[7]。针对3号煤层的特定条件，其核心因素是煤层强度和裂隙发育程度。回采工作面煤壁若不考虑护帮，煤壁暴露后，在岩层垂直支承压力作用下将发生近似单轴压缩破坏，其实质是压拉型脆性破坏，可近似按单轴破坏条件考虑[7]。可借鉴竖直边坡稳定性分析的方法探讨割煤高度与煤壁片帮的关系，对于岩土体性质的竖直边坡(承受拉力时)而言，其临界稳定高度为：

Hcr=4Ctan(45°+φt/2)/γ

(6)

式中，Hcr为临界稳定高度，m；C为黏聚力，MPa；γ为体积力，kN/m3；φt为滑动体的速度矢量与滑动面的夹角，(°)。

将赵庄3号煤层的参数带入计算式(6)，得

Hcr=4×2.05/13tan(45+φt/2)

(7)

Hcr与φt的关系如图6所示。

图6 滑动体速度矢量与滑动面夹角和临界稳定高度关系

参数φt较难确定，根据理论公式，若要割煤高度能够达到6.0m， 则要求φt能够达到60.1°。参考数值模拟分析时的速度矢量与煤壁夹角为47～56°，φt按56°考虑，Hcr为4.1m。由于煤层厚度6m，为实现顺利回采，要求4.0m以上部分全部实现护帮，即护帮高度达到2.0m以上。

3.2 防片帮的技术措施

根据前文对煤壁片帮发生的机理的研究，针对性地提出以下主要预防措施：

(1)从管理方面出发，应保证支架初撑力，如保证足够的升架时间，调整好支架的仰俯角、歪斜度，采用带压擦顶移架方式等；做到及时支护，采煤机割煤后及时拉架、升架，对新暴露的顶板及时支护，缓解顶板对煤壁的压力。

(2)从回采工艺角度考虑，应加快工作面推进速度。其实质是减少煤壁暴露时间和支承压力对煤体的作用时间，降低煤壁的损伤程度，从而减少煤壁片帮。

(3)从预防角度入手，可超前加固。对煤壁节理裂隙发育，煤体松散、破碎区域，特别是煤壁片帮严重区域，采用加强支护或煤壁固化的方法提前加固，以提高煤体的完整性和自承能力。

此外，从控制力源角度，可对顶板弱化处理，释放压力，控制片帮事故。

4 结论

通过理论分析、数值模拟，并结合赵庄矿现场实测，对大采高综采面煤壁片帮机理进行较为详细地研究，得出如下结论：

(1)大采高工作面煤壁内部微裂纹发生摩擦滑动和自相似性扩张后发生向临空面的变形，微裂纹贯通后形成平行于开挖面的破裂面，即张性破裂面，在扰动作用下形成劈裂破坏。

(2)大采高开采煤壁破坏呈现明显的受拉破坏特征，即大面积板状失稳。片帮规模和煤层的物理力学性质和煤壁前方能量积聚程度密切相关。

(3)大采高开采煤壁片帮具有一定灾变效应，可用岩爆理论的线弹性能准则、脆性准则以及RQD指标来对煤壁的稳定性进行评价。

(4)大采高工作面煤壁失稳实质是压拉型脆性破坏，可借鉴竖直边坡稳定性分析的方法探讨割煤高度与煤壁片帮的关系，计算特定煤层赋存条件下开采的临界稳定高度。

[1]武建国.大采高综采工作面与巷道围岩控制技术研究[D].太原：太原理工大学，2004.

[2]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[3]姜福兴.薄板力学解在坚硬顶板采场的适用范围[J].西安矿业学院学报，1991，11(2)：40-50.

[4]钱鸣高，缪协兴.采场上覆岩层结构的形态与受力分析[J]. 岩石力学与工程学报， 1995，14(2)，97-106.

[5]孙 伟，等.基于弹性薄板理论的巷道层状顶板破坏的能量法分析[J].石家庄铁道学院学报(自然科学版)， 2009，22(2)，50-53.

[6]蔡美峰，刘卫东，李 远.玲珑金矿深部开采岩体能量分析与岩爆综合预测[J].岩石力学与工程学报，2001，20(1)，38-42.

[7]朱 涛.软煤层大采高综采采场围岩控制理论及技术研究[D].太原：太原理工大学，2010.

[责任编辑：于海湧]

Coal-wallSlidingMechanismofLarge-mining-heightFull-mechanizedMiningFaceBasedonEnergyCriterion

ZHU Ling-fu

(Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Coal-wall slide and roof fall seriously influence output and efficiency of mining face.By analyzing tension failure characteristic of coal-wall in large-mining-height mining, tabular instability mechanism of large-sized coal-wall slide was obtained.Applying linear-elastic energy principle, crisp principle and RQD index to evaluating coal-wall stability in large-mining-height mining, discussing the relationship of mining coal height and coal-wall slide, critical stability height calculation basis was obtained for specific coal-seam occurrence condition and technical measure of preventing coal-wall slide was put forward.

energy criterion; large-mining-height full-mechanized mining; coal-wall slide; slide mechanism

2014-03-07

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.003

国家自然科学基金项目(51304115)；国家“十二五”科技支撑计划(2012BAK04B08)

祝凌甫(1984-)，男，四川乐山人，硕士研究生，从事煤矿现场管理工作。

祝凌甫.基于能量准则的大采高综采面煤壁片帮机理分析[J].煤矿开采，2014，19(4)：9-12.

TD325

A

1006-6225(2014)04-0009-04