大采高工作面煤壁破坏机制研究

谢亚涛 史志祥

摘要：现如今，在我国综合国力不断提升的大背景下，国内的工程也逐渐被人们重视起来。针对大采高工作面煤壁易发生片帮、冒顶这一难题，以某工作面为背景，构建“顶板、煤壁、支架”系统力学模型，对煤壁稳定性影响因素进行敏感度分析；设计煤壁稳定性控制实验台对煤壁稳定性与采高、支架工作阻力、煤壁压力及煤体强度的关系进行模拟实验；采用UDEC数值软件对不同采高、黏聚力、支护强度、推进距离下煤壁变形情况进行模拟。研究得到：煤壁处的顶板压力是煤壁发生破坏的主要因素，煤体强度决定着煤壁所能承受的顶板压力；采高越大、煤壁发生破坏时的临界压力越小，煤壁越不稳定；支架的支护强度越大，作用在煤壁处的压力就越小，煤壁越稳定，但提高支护强度对于控制煤壁破坏的作用是有限的；支架护帮板在控制塑性区煤体继续破坏起的作用不大。煤壁破坏前，煤体具有较大的变形量，且煤壁破坏位置多发生在煤壁中上部，为采高的60%～70%。研究成果为煤壁片帮的防治提供了基础。

关键词：大采高；工作面；煤壁破坏；机制

引言

大采高开采技术于20世纪80年代引入国内，并得到快速发展。且随着综合机械化水平的提高，大采高开采以其高产、高效的优点成为我国厚煤层开采的主要技术。但制约大采高工作面安全、高效开采的主要问题是煤壁片帮与端面冒顶。煤壁片帮增大了端面无支护空间，导致端面冒顶；端面冒顶进一步加剧了煤壁破坏程度。煤壁片帮恶化采场支架与围岩关系，严重威胁工作面人员安全，影响矿井的正常生产。因此，分析煤壁破坏的影响因素，掌握煤壁破坏机制，是防治煤壁片帮的基础和依据。目前，国内学者对煤壁片帮机制与防治进行了大量研究，取得了重要成果。目前对煤壁破坏机制与防治技术的研究发现：煤壁稳定性受煤层赋存特征和开采条件影响较大，主要影响因素包括采高、煤体强度、煤壁压力、支架阻力。但这些因素是如何影响煤壁稳定性的，仍需要进行系统研究。论文以王庄矿工作面地质条件为背景，采用理论分析，三维相似模拟和UDEC数值模拟分析了煤壁稳定性与采高、支架工作阻力，煤体强度、煤壁压力之间关系，以期为煤壁片帮防治提供依据。

1大采高工作面煤壁片帮机制

随着近些年综采设备不断朝着大型化、重型化发展，大采高综采技术已在中国神东、晋城、大同等几个煤炭主要产区得到广泛使用，大采高综采以资源回收率高、生产能力大等优点已取得了可观的经济与社会效益。但不少大采高综采工作面工程实践表明：由于工作面采高上限的不断突破，直接导致了煤壁片帮事故发生频次增加，加大了液压支架的架前空间，迫使顶板煤（岩）冒落，严重影响工作面正常推进速度与循环作业，同时易引起其它矿井灾害的发生，因此煤壁片帮事故的防治是大采高综采工作面亟待解决的难题之一。只有弄清大采高综采工作面片帮机理及深度才能从根本上防治煤壁片帮，进而完全发挥大采高综采工作面潜力。

引起大采高工作面煤壁片帮的因素有自然因素和生产技术因素，包括煤体内摩擦角、黏聚力、埋深、采高、支架支护强度、工作面推进速度、工作面开采角度、支架护帮板水平推力、工作面长度等。根据大采高工作面前方支承压力分布规律，在煤层开采过程中，顶板、煤层、底板三者构成一个平衡系统。在该系统中，顶底板岩层的强度均比煤层大，一旦受到煤层开采的影响，就会引起煤层周围原岩应力的重新分布和煤体内部微裂隙不同程度地损坏，造成煤体强度、弹性模量、内摩擦角和黏聚力等参数降低，改变了煤体的承载能力；伴随着工作面的不断推进，一旦煤壁应力超过其强度极限，就会造成工作面煤壁发生片帮。因此，在煤质疏松的工作面进行大采高开采时，煤壁片帮问题相对难以控制。

煤壁片帮破坏形式主要有张性断裂和剪切滑移两种。煤壁拉裂破坏经常发生在脆性硬煤中，主要受到顶板压力的作用，煤壁内部会产生横向拉应力。当横向拉应力大于煤体的抗拉强度时，煤壁就会出现拉裂破坏，同时常伴有破裂声响。对于软煤层，当受到顶板压力及煤体自重的双重影响时，煤壁内部会产生横向拉应力，同时软煤层的横向及蠕动变形会造成横向拉应力的释放，当煤壁内部的剪应力大于抗剪强度时就会产生剪切滑移破坏。根据工作面煤壁片帮的现场实测并结合煤层结构的性质可知：作面煤层结构松软，因此可推测煤壁片帮破坏的形式以剪切滑移为主；同时，工作面片帮的发生主要受到地质构造、顶底板性质、采煤高度、工作面推进速度等的影响。

2工作面煤壁渐进劣化特征与力学机制分析

2.1工作面煤壁渐进劣化特征

工作面煤壁劣化破坏是相对复杂的力学过程，其中工作面临空煤壁在受采动应力与构造应力影响的同时，又会受到深部煤体对其的弹性约束，从断裂力学角度分析，当工作面煤壁与深部煤体间拉力或相对位移达到一定极限时，工作面煤壁会出现离层裂隙，而随着煤壁无弹性支承区域的变形量继续增长，煤壁内部裂隙损伤存在着明显的积累与发展，如果离层裂隙发育至相互贯通，就易造成煤壁大面积片帮失稳。煤体内部受压应力条件下时裂隙沿平行或偏向最大主应力α1方向扩张形成劈裂破坏，工作面煤壁薄板受力模型如图1，煤壁渐进劣化损伤特征如图2。

2.2工作面煤壁片帮力学机制与位置

工作面煤壁承受来自前方煤体的水平挤压力以及顶板覆岩的自重应力，为了方便分析煤壁水平方向上产生挠度的大小，可对煤壁受力进行适当简化处理，即忽略煤壁的自身重力与煤壁竖直方向上的压缩变形，大采高工作面煤壁简化后模型如图3。

图3中：q为水平载荷集度；Ff为煤层与顶板间摩擦阻力；p为顶板压力；l为采高。取O點为坐标原点，以竖直向下为x轴，水平向右为y轴建立平面直角坐标系，对简化后的大采高煤壁模型进行受力分析。

3煤壁片帮控制措施

根据霍尔辛赫煤矿大采高工作面的具体条件，并结合煤壁片帮现场观测结果，提出了以下措施来控制工作面煤壁片帮。

3.1采用俯斜开采

工作面受岩层分布的影响，仰斜开采区域较多，工作面煤壁稳定性随仰采角度的增大而降低，从而更易诱发煤壁片帮。因此，采用俯斜开采可避免煤壁片帮的发生或者减轻片帮的严重程度。

3.2加固工作面煤壁

工作面煤层的普氏系数只有0.5～0.6（松散状或者土状），其顶板属于典型的松软破碎顶板，因此可采用注浆加固的方法来加固煤壁以提升煤体的强度。

3.3加快工作面推进速度

研究表明：当工作面推进速度比较缓慢时，会导致煤壁暴露时间较长，从而引发采动应力的集中，使得煤壁支承压力增大，加速裂隙的发育。因此，通过加快工作面的推进速度可减少支承压力对煤体的作用时间以及降低煤壁的损伤程度，从而可以减少煤壁片帮的发生。为此，设计工作面的推进速度应不小于5.6m/d。

3.4其他控制技术

适当提高工作面支架的初承力及工作阻力，采取及时有效的支护方式，并实行全方位连续动态监测工作面矿压等。

结语

采高越大，使煤壁破坏的压力越小，煤壁越不稳定；煤体黏聚力越大，煤壁所能承受的临界压力越大，煤壁越稳定；在一定程度内提高支架初撑力有助于减轻煤壁破坏程度。工作面煤壁破坏前，煤体具有较大的变形量，且煤壁破坏位置多发生在煤壁中上部。研究成果为煤壁片帮的防治提供了依据。

参考文献：

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