祝凌甫

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

基于能量準則的大采高綜采面煤壁片幫機理分析

祝凌甫

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

大采高工作面煤壁片幫冒頂嚴重影響工作面的產(chǎn)能和效能，通過分析大采高開采煤壁破壞典型的受拉破壞特征，得出了大面積片幫的板狀失穩(wěn)機理；采用線彈性能準則、脆性準則以及RQD指標來對大采高開采時煤壁的穩(wěn)定性進行了評價；還探討了割煤高度與煤壁片幫的關(guān)系，得出了特定煤層賦存條件下開采的臨界穩(wěn)定高度計算依據(jù)，提出了預防煤壁片幫的技術(shù)措施。

能量準則；大采高綜采；煤壁片幫；片幫機理

在工作面采煤過程中，尤其對于大采高工作面，采煤機割煤前后護幫板收回，通常會發(fā)生煤壁片幫，有時片幫范圍及片落煤體塊度大，造成刮板輸送機無法正常啟動和運行、阻塞采煤機通過等，降低采煤機有效開機率；此外，煤壁片幫易誘發(fā)端面冒頂事故，嚴重制約大采高工作面生產(chǎn)效率的提高，并給現(xiàn)場作業(yè)人員及設(shè)備帶來一定的危害。因此，研究大采高工作面煤壁片幫機理及其控制技術(shù)對于現(xiàn)場管理非常必要[1]。

1 大采高工作面煤壁片幫機理

1.1 煤壁片幫理論分析

煤壁大面積片幫失穩(wěn)是一個極為復雜的力學過程，與地質(zhì)構(gòu)造、煤巖物理力學性質(zhì)、煤巖層的力學結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的變形等有關(guān)系。對于淺埋煤層，由于風化、裂隙發(fā)育、完整性差，對于大采高工作面煤壁內(nèi)部常存在張性破裂面，可運用斷裂力學知識加以解釋。煤巖內(nèi)部存在的原始微裂紋是隨機分布的，在無圍壓、煤巖承受一定的軸向壓力時，微裂紋首先發(fā)生摩擦滑動和自相似性擴張，繼而發(fā)生彎折擴展，產(chǎn)生的彎折裂紋會沿著最大主應(yīng)力方向(軸向力方向)發(fā)展，導致最終的劈裂破壞，形成平行于軸向力的張性破裂面，見圖1，圖中σ1為軸向力，σ2為圍壓。

圖1 煤巖受壓劈裂破壞示意(σ2=0)

隨工作面的推進，新暴露煤壁的圍巖應(yīng)力狀態(tài)不斷發(fā)生改變，由初次狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎螤顟B(tài)，切向應(yīng)力升高，而徑向應(yīng)力降低至零。煤壁內(nèi)部產(chǎn)生的彎折裂紋則沿著切向應(yīng)力方向發(fā)展，微裂紋貫通后，形成平行于開挖面的張性破裂面。

將煤體內(nèi)部對臨空面煤壁的作用視作彈性約束，受重力場和構(gòu)造應(yīng)力場的作用，工作面煤壁將向臨空面產(chǎn)生形變。煤體屬于脆性體，當臨空面煤壁與內(nèi)部煤體之間的拉力或相對位移超出一定值時出現(xiàn)離層，由于受到深部煤體的位移限制[3]和重新分布應(yīng)力的影響，扼制了離層快速擴展。煤板上無彈性支承段隨變形增長，裂隙逐漸擴大，而彈性支承段則迅速斷裂，造成煤壁大面積片幫失穩(wěn)[4]。

從斷裂力學角度看，煤巖體內(nèi)存在著微裂紋，當其受縱向作用力時，將會平行或偏向最大主應(yīng)力σ1的方向擴張，從而形成劈裂破壞，如圖2所示。所以對于脆性煤層，工作面板裂片幫并非完全呈薄板狀，有可能呈現(xiàn)“洋蔥片”狀、中間厚兩邊薄的透鏡狀或楔形形狀[5]。

圖2 壓應(yīng)力條件下裂紋端部破裂方向

由于超前支撐壓力作用，煤壁和內(nèi)部實體煤之間的粘結(jié)力減弱，將超大采高綜采面煤壁視作薄板，根據(jù)圖3建立力學模型，對于臨空面煤層薄板，內(nèi)部蓄積的彈性變形能V計算如下：

圖3 煤壁薄板受力模型

(1)

外力所做的功為板的兩端相互趨近時dp=σcrrdy所做的功，沿板寬b積分，則有

(2)

對于寬板，b?l，化簡后可得

(3)

式中，E為彈性模量；μ為泊松比；l為板長；b為板寬；t為薄片長度；ω為轉(zhuǎn)動矢量；U為位移矢量；σcr為臨界壓力。

上式說明，煤壁發(fā)生大面積片幫失穩(wěn)與材料的彈性模量E和泊松系數(shù)μ緊密相關(guān)。拉張型破裂面產(chǎn)生后，形成平行于工作面的煤板，若其并沒有進一步受到擾動破壞，而是隨著工作面圍巖變形的增加積聚能量，當儲能達到一定程度時，煤板受到微小擾動就能失穩(wěn)、斷裂，煤壁產(chǎn)生大面積垮落或煤塊被拋出，造成工作面煤壁災變和失穩(wěn)。

2.2 大采高工作面片幫數(shù)值分析

為了進一步分析超大采高回采過程中可能形成的片幫情況以及片幫規(guī)模，采用PFC軟件對回采過程進行離散元數(shù)值模擬分析。根據(jù)趙莊礦開采條件，建立了數(shù)值分析模型，基礎(chǔ)模型寬度80m，各模擬煤巖層的厚度分別為：煤層6m，5.5m，5m，4.5m，粉砂巖頂板8m，中粒砂巖頂板8m，泥質(zhì)粉砂巖頂板9m。其上載荷全部施加到上方載荷層。開挖過程考慮到邊界效應(yīng)的影響，左側(cè)預留20m煤柱，右側(cè)預留20m煤柱，采高6m時開挖之后煤壁片幫形態(tài)如圖4所示。

圖4 煤壁片幫應(yīng)力束分析(采高6m)

對開挖后煤壁片幫情況進行詳細分析，首先分析工作面前方的支承壓力分布情況，其形成的應(yīng)力束如圖4所示。經(jīng)過分析，6m割煤高度時超前支承壓力的峰值區(qū)域在工作面煤壁前方5m處，割煤高度5.5m，5m，4.5m時，支承壓力峰值區(qū)域在工作面煤壁前方2m處。煤壁呈現(xiàn)明顯的板狀破壞，即煤壁受拉損傷后和內(nèi)部實體煤之間的粘結(jié)力減弱，一旦失穩(wěn)，將造成倒墻式片幫。

對煤壁片幫的規(guī)模進行了詳細分析，認為6m割煤高度時煤壁相對穩(wěn)定高度在4m左右，4m以上高度極其容易失穩(wěn)，片幫深度多在0.5～1m左右，上方2m范圍內(nèi)發(fā)生較嚴重的片幫，片幫深度達1m，呈現(xiàn)三角形區(qū)域整體滑落狀態(tài)，如圖5所示。5.5m割煤高度情況下片幫情況與6m類似，中上部約1m范圍內(nèi)發(fā)生深度達0.5m的片幫；5m，4.5m割煤高度下僅在煤壁發(fā)生輕微片幫。

圖5 煤壁片幫規(guī)模分析(采高6m)

數(shù)值模擬可知，大采高開采，煤壁破壞呈現(xiàn)明顯的受拉破壞特征，即大面積板狀失穩(wěn)。各割煤高度下，在煤壁前方均形成明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，煤壁處的煤體應(yīng)力發(fā)生明顯降低。煤巖體顆粒發(fā)生破壞的地方，速度矢量明顯增大。片幫規(guī)模和煤層的物理力學性質(zhì)和煤壁前方能量積聚程度密切相關(guān)。

2 超大采高工作面片幫程度分析

2.1 片幫程度判別的能量準則

大采高工作面小規(guī)模的煤壁松脫就是片幫，大規(guī)模的炸幫炸頂乃至災變往往伴隨有煤炮，煤壁大面積層狀快速剝落，實際上就是煤層中的巖爆。巖爆是一種動力失穩(wěn)地質(zhì)災害，是圍巖因開挖卸荷，導致儲存于巖體中的高彈性應(yīng)變能突然釋放而產(chǎn)生的煤巖體爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲。巖爆的發(fā)生取決于煤巖層的能量蓄積程度和自身脆性，可以用巖爆的線彈性能準則、脆性準則以及RQD指標來對趙莊礦大采高開采時煤壁的穩(wěn)定性進行評價[6]。

2.1.1 線彈性能準則

單軸受壓條件下，煤巖試樣達到峰值強度之前所儲存的彈性變形能計算如下式：

(4)

式中，σc為單軸抗壓強度，MPa；Es為卸載切線彈性模量，MPa。

可根據(jù)計算的We將巖爆劃分為4個等級：

(1)We<40kJ/m3，無巖爆傾向。

(2)40≤We<100kJ/m3，低巖爆傾向。

(3)100≤We< 200kJ/ m3，中巖爆傾向。

(4)We≥200kJ/m3，強烈?guī)r爆傾向。

結(jié)合煤巖物理力學性質(zhì)試驗測試結(jié)果，可計算出趙莊礦煤層線彈性能的大小，見表1。

由表1中結(jié)果可知，對3號煤層進行了煤巖物理力學測試，計算的線彈性能為17.86kJ，遠小于100kJ，表明趙莊礦3號煤層屬于無巖爆傾向煤層，不易產(chǎn)生能量的蓄積。根據(jù)歷次煤巖強度測試，趙莊礦3號煤層的硬度系數(shù)為1左右，不屬堅硬煤層，圍巖較破碎，難以產(chǎn)生大量的能量蓄積。在一

表1 部分礦井煤層脆性系數(shù)和彈性能計算結(jié)果

定程度上也反映了趙莊礦的圍巖狀況，即實際開采過程中會出現(xiàn)一定程度的片幫現(xiàn)象。

2.1.2 脆性準則

煤巖的單軸抗壓強度與抗拉強度之比稱為脆性系數(shù)，它反映了煤巖的脆性程度。脆性系數(shù)為

B=σc/σt

(5)

式中，σc為煤巖單軸抗壓強度，MPa；σt為煤巖單軸抗拉強度，MPa。

趙莊礦3號煤層的脆性系數(shù)計算結(jié)果如表1所示，研究表明，當B<40，屬于無巖爆，因此，趙莊礦3號煤層無巖爆傾向。

2.1.3 RQD指標分析

煤巖體裂隙發(fā)育程度能間接反映其產(chǎn)生巖爆的傾向性，一般而言，裂隙越發(fā)育，巖體完整性越差，越不易引起高應(yīng)力集中和能量積聚。趙莊礦3號煤層的平均RQD=30%～40%，完整度較差。因此，不易產(chǎn)生能量積聚。

2.2 趙莊礦大采高工作面片幫特征

晉城趙莊礦3號煤層屬于軟煤，其單軸抗壓強度為10.3MPa，3305 工作面采高約6m。表2為該礦煤壁片幫深度相關(guān)的實測統(tǒng)計表，由表2可知，該工作面發(fā)生片幫頻繁，且片幫深度大，范圍廣，達工作面總長度的40%。

表2 趙莊礦煤壁片幫深度、分布時期及頻率統(tǒng)計

由表2可知，周期來壓時期片幫深度超過1.5m，很容易產(chǎn)生冒頂漏矸現(xiàn)象，垮落嚴重時，煤塊越過電纜槽延伸到支架內(nèi)側(cè)，片幫和漏矸往往都是大塊。大塊煤需要人工破碎，遇到大塊矸石還得爆破清理。

趙莊礦大采高工作面來壓期間均伴隨著煤壁片幫、炸幫現(xiàn)象，片幫深度200～800mm，片幫形態(tài)整體呈現(xiàn)“凹”形分布。回風巷超前支護段副幫側(cè)距端頭5～15m范圍內(nèi)輕度片幫，煤壁呈魚鱗狀，片幫深度60～120mm，片幫高度距離底板1.0～2.3m；而運輸巷超前支護段巷幫則無明顯片幫現(xiàn)象，巷道頂板狀況良好。

3 保持煤壁穩(wěn)定性的條件和措施

3.1 保持煤壁穩(wěn)定性的條件

大采高煤壁片幫增加主要是因開采深度增大后煤壁附近的脆性破壞區(qū)和塑性區(qū)寬度增大所致[7]。針對3號煤層的特定條件，其核心因素是煤層強度和裂隙發(fā)育程度?；夭晒ぷ髅婷罕谌舨豢紤]護幫，煤壁暴露后，在巖層垂直支承壓力作用下將發(fā)生近似單軸壓縮破壞，其實質(zhì)是壓拉型脆性破壞，可近似按單軸破壞條件考慮[7]。可借鑒豎直邊坡穩(wěn)定性分析的方法探討割煤高度與煤壁片幫的關(guān)系，對于巖土體性質(zhì)的豎直邊坡(承受拉力時)而言，其臨界穩(wěn)定高度為：

Hcr=4Ctan(45°+φt/2)/γ

(6)

式中，Hcr為臨界穩(wěn)定高度，m；C為黏聚力，MPa；γ為體積力，kN/m3；φt為滑動體的速度矢量與滑動面的夾角，(°)。

將趙莊3號煤層的參數(shù)帶入計算式(6)，得

Hcr=4×2.05/13tan(45+φt/2)

(7)

Hcr與φt的關(guān)系如圖6所示。

圖6 滑動體速度矢量與滑動面夾角和臨界穩(wěn)定高度關(guān)系

參數(shù)φt較難確定，根據(jù)理論公式，若要割煤高度能夠達到6.0m， 則要求φt能夠達到60.1°。參考數(shù)值模擬分析時的速度矢量與煤壁夾角為47～56°，φt按56°考慮，Hcr為4.1m。由于煤層厚度6m，為實現(xiàn)順利回采，要求4.0m以上部分全部實現(xiàn)護幫，即護幫高度達到2.0m以上。

3.2 防片幫的技術(shù)措施

根據(jù)前文對煤壁片幫發(fā)生的機理的研究，針對性地提出以下主要預防措施：

(1)從管理方面出發(fā)，應(yīng)保證支架初撐力，如保證足夠的升架時間，調(diào)整好支架的仰俯角、歪斜度，采用帶壓擦頂移架方式等；做到及時支護，采煤機割煤后及時拉架、升架，對新暴露的頂板及時支護，緩解頂板對煤壁的壓力。

(2)從回采工藝角度考慮，應(yīng)加快工作面推進速度。其實質(zhì)是減少煤壁暴露時間和支承壓力對煤體的作用時間，降低煤壁的損傷程度，從而減少煤壁片幫。

(3)從預防角度入手，可超前加固。對煤壁節(jié)理裂隙發(fā)育，煤體松散、破碎區(qū)域，特別是煤壁片幫嚴重區(qū)域，采用加強支護或煤壁固化的方法提前加固，以提高煤體的完整性和自承能力。

此外，從控制力源角度，可對頂板弱化處理，釋放壓力，控制片幫事故。

4 結(jié)論

通過理論分析、數(shù)值模擬，并結(jié)合趙莊礦現(xiàn)場實測，對大采高綜采面煤壁片幫機理進行較為詳細地研究，得出如下結(jié)論：

(1)大采高工作面煤壁內(nèi)部微裂紋發(fā)生摩擦滑動和自相似性擴張后發(fā)生向臨空面的變形，微裂紋貫通后形成平行于開挖面的破裂面，即張性破裂面，在擾動作用下形成劈裂破壞。

(2)大采高開采煤壁破壞呈現(xiàn)明顯的受拉破壞特征，即大面積板狀失穩(wěn)。片幫規(guī)模和煤層的物理力學性質(zhì)和煤壁前方能量積聚程度密切相關(guān)。

(3)大采高開采煤壁片幫具有一定災變效應(yīng)，可用巖爆理論的線彈性能準則、脆性準則以及RQD指標來對煤壁的穩(wěn)定性進行評價。

(4)大采高工作面煤壁失穩(wěn)實質(zhì)是壓拉型脆性破壞，可借鑒豎直邊坡穩(wěn)定性分析的方法探討割煤高度與煤壁片幫的關(guān)系，計算特定煤層賦存條件下開采的臨界穩(wěn)定高度。

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[責任編輯：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

國家自然科學基金項目(51304115)；國家“十二五”科技支撐計劃(2012BAK04B08)

祝凌甫(1984-)，男，四川樂山人，碩士研究生，從事煤礦現(xiàn)場管理工作。

祝凌甫.基于能量準則的大采高綜采面煤壁片幫機理分析[J].煤礦開采，2014，19(4)：9-12.

TD325

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1006-6225(2014)04-0009-04