文/邊天亮

針對片幫制約工作面順槽安全高效掘進問題，采用實驗室實驗、現(xiàn)場實測和理論分析方法相結(jié)合，對神華杭錦能源公司塔然高勒煤礦首采面順槽掘進中的片幫機理進行分析，探索片幫發(fā)生的基本類型，并獲得每種類型片幫發(fā)生的范圍及臨界條件，揭示影響片幫發(fā)生的主要因素，以便采取相應(yīng)措施，保障礦井安全生產(chǎn)。

一、工程概況

塔然高勒煤礦首采面主采煤層為3-1煤，平均埋深約600m；煤厚平均3.77m，煤層傾角為1°～5°，平均為3°，采用大采高綜采工藝。老頂?shù)[巖層平均厚度53.77m；直接頂為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和中粒砂巖等平均為6.8m，強度較低，穩(wěn)定性差。目前正在掘進的首采面三條順槽（輔助運輸、回風(fēng)及膠帶運輸順槽）均為矩形布置，其中回采順槽寬為5000mm，高為3500mm；輔助運輸順槽寬為5500mm，高為3700mm；膠帶運輸順槽寬為5500mm，高為3500mm；采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)加W鋼帶進行聯(lián)合支護?；仫L(fēng)順槽與輔助運輸順槽之間留設(shè)30m煤柱。首采面北側(cè)為西翼輔運、膠運、回風(fēng)大巷，其他相鄰處均為煤層實體。目前首采面三條順槽掘進中分別出現(xiàn)不同程度片幫情況，最深處達到1.5m，一次片幫最大范圍為3m2。片幫問題已經(jīng)成為目前掘進中的主要問題之一，已威脅到掘進工作面的安全生產(chǎn)。

二、掘進工作面片幫機理分析

1. 塔然高勒煤礦3-1煤沖擊傾向性測定

在巖石力學(xué)實驗室中對塔然高勒煤礦3-1煤的沖擊傾向性進行測量，4個測量指標(biāo)包括動態(tài)破壞時間DT、沖擊能量指數(shù)KE、彈性能量指數(shù)WET和單軸抗壓強度Rc，測量結(jié)果如表1所示。根據(jù)判定煤層沖擊傾向性4個指數(shù)各自特性，DT和Rc的權(quán)重為0.3，WET和KE的權(quán)重各為0.2。

表1 塔然高勒煤礦3-1煤試樣沖擊傾向性各項指數(shù)測定結(jié)果

經(jīng)對各指標(biāo)進行綜合分析，判定3-1煤層屬于Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性煤層。繼而按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T25217.2-2010《煤的沖擊傾向分類及指數(shù)的測定方法》中規(guī)定的四個指標(biāo)的等級區(qū)間，采用模糊權(quán)重評價方法對指標(biāo)所屬區(qū)間的隸屬度進行計算。經(jīng)計算，塔然高勒煤礦煤層沖擊傾向性的最終隸屬度為(0，0.45，0，0.58)，表明3-1煤層雖然為弱沖擊傾向性，但由于各沖擊傾向性指標(biāo)處于弱與強等級的交界位置，其沖擊傾向性的隸屬度很大程度上偏向于強級。因此，塔然高勒煤礦煤層具有較強的儲藏彈性能和瞬間釋放彈性能的能力。

2. 塔然高勒煤礦地應(yīng)力測試

采用應(yīng)力解除法對塔然高勒煤礦的地應(yīng)力進行測試，選取三個測點，各測點基本情況如表2所示。垂直主應(yīng)力σV的大小約為最大水平主應(yīng)力σH的1.19～1.22倍，應(yīng)力場特征為σV>σH>σh，塔然高勒煤礦地應(yīng)力場以垂直應(yīng)力為主。由“最大主應(yīng)力原理”可知，此類型地應(yīng)力場對巷道兩幫的穩(wěn)定最為不利。

三、塔然高勒煤礦片幫機理的理論分析

1. 模型的建立

（1）不考慮煤壁垂直方向壓縮變形。數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)巷道高度為3.7m時，完整性較好的中硬煤壁的壓縮變形量最大值為2.8cm，對撓度的影響較小，分析此類煤壁的撓度特征時可不考慮煤壁壓縮變形量對撓度的影響。

（2）不考慮重力對煤壁的影響。相較垂直應(yīng)力的影響，重力對煤壁撓度的影響較小，為簡化分析模型，不考慮重力對煤壁的影響。

（3）不考慮水平應(yīng)力對煤壁的影響。

由首采面順槽的煤壁附近主應(yīng)力分布（見圖1）可知，在順槽煤壁的上部，最大主應(yīng)力方向與垂直方向有一定夾角，且偏向遠離巷道的方向；煤壁中部最大主應(yīng)力方向基本垂直，而煤壁下部最大主應(yīng)力方向與垂直方向有一定夾角，且偏向巷道的方向。順槽煤壁的上部和下部受到的主應(yīng)力大小和方向呈對稱分布，因此煤壁所受水平方向的外力大小相等，方向相反，互相抵消。

基于以上的簡化，對于完整性較好的中硬煤壁，分析頂板壓力作用下煤壁的撓度特征時可以簡化為一端彈性支承，一端剛性固定的受壓彈性桿。

2. 片幫位置分析

實際可知，邊界條件為一端鉸支、另一端固支時，煤壁側(cè)向變形曲線為正弦半波，其側(cè)向位移最大值點距巷道頂板0.35h處。當(dāng)頂板壓力繼續(xù)增加，煤壁將首先從距頂板0.35h處失穩(wěn)。

表2 塔然高勒煤礦地應(yīng)力測點基本情況

圖1 試采工作面掘進巷道周圍最大主應(yīng)力分布情況

3. 片幫范圍分析

在煤巖的單軸壓縮試驗中，試樣的破壞分為以下三種形式：x狀共軛斜面剪切破壞、單斜面剪切破壞和拉伸破壞。對于前兩種破壞形式，破壞面與水平面的夾角為45°+φ/2，其中φ為煤巖的內(nèi)摩擦角。與此相似，井下的片幫同樣是以煤壁的剪切破壞和拉伸破壞為主，分為剪切型片幫、剪切型片幫及冒頂、拉伸型片幫；而剪切型片幫根據(jù)破壞形式的不同，又可分為共軛剪切型片幫和單斜面剪切型片幫。

與實驗室觀察到的現(xiàn)象相對應(yīng)，巷道煤壁在頂板壓力作用下，在與水平面成45°+φ/2夾角的斜面上剪應(yīng)力最大，首先產(chǎn)生一組與水平面成45°+φ/2夾角的滑移線。由于在煤壁上方0.35倍巷道高度位置橫向位移最大，所以沿此處的滑移線最先發(fā)生破壞。用S表示片幫深度，φ表示煤體的內(nèi)摩擦角，由公式（1）可以看出，剪切型片幫深度是巷高和煤層自身性質(zhì)(即內(nèi)摩擦角)的函數(shù)，和受到的垂直應(yīng)力的大小無關(guān)，并且共軛剪切型片幫的范圍是巷道頂板向下0～0.7h這段距離；單斜面剪切型片幫的范圍是巷道頂板向下0～0.35h這段距離。

拉伸型片幫通常是整個煤壁同時發(fā)生破壞。而對于拉伸型片幫的深度，目前尚沒有較好的計算公式。通過現(xiàn)場實際觀察，通常它小于剪切型片幫的深度，一般在0.2～0.5m之間。

4. 片幫臨界條件分析

通過上述分析，得出煤壁片幫深度的計算公式，并且獲得了片幫形式主要包括剪切型和拉伸型兩種，針對這兩種片幫形式，對片幫發(fā)生的臨界條件進行分析。

首先，采用莫爾強度理論，分析剪切型片幫的臨界條件。基于片幫的壓桿模型可知，煤壁主要受到垂直主應(yīng)力σ1的作用，水平主應(yīng)力σ2=0。則片幫滑移面上的正應(yīng)力σα和剪應(yīng)力τα可由公式（2）求得：

在垂直應(yīng)力作用下，剪切型片幫形成的滑移面的外法線方向和最大主應(yīng)力的夾角α為45°+φ/2。將上式和α=45°+φ/2代入庫倫-莫爾強度理論τ=c+σtanφ，可以得到：

其中，σcr為剪切型片幫發(fā)生的臨界垂直應(yīng)力，φ為煤的內(nèi)摩擦角，c為內(nèi)聚力。

整理可得：

由上式，σcr是由煤的自身性質(zhì)，即內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角決定的，且臨界垂直應(yīng)力與內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均為正相關(guān)；由公式（5）可以求得片幫發(fā)生的臨界埋深Hcr：

其中，γ為上覆巖層的平均重力密度，通常=0.027MN/m3。當(dāng)井下巷道的實際埋深H0Hcr時片幫發(fā)生。

因此，當(dāng)垂直應(yīng)力σ1同時滿足σ1>σt/μ和σ1>σc時，即會發(fā)生拉伸型片幫。并且通過計算可知，發(fā)生拉伸型片幫與剪切型片幫相似，取決于煤壁受到的垂直應(yīng)力以及煤體的自身性質(zhì)。但區(qū)別在于，決定拉伸型片幫的煤體自身性質(zhì)是泊松比、抗拉強度和單軸抗壓強度。

四、現(xiàn)場實測

據(jù)對塔然高勒煤礦掘進工作面煤壁片幫的現(xiàn)場觀測表明：在掘進西翼回風(fēng)大巷和掘進首采面三條順槽的初期，片幫現(xiàn)象較少；隨著掘進工作面的推進，片幫顯現(xiàn)更為劇烈，但煤壁片幫深度一般小于1.0m，位于煤壁上部和上方拐角處；隨著掘錨機不斷的截割煤壁，兩幫及掘進迎頭的煤體向巷道空間內(nèi)彈射，并伴隨有“噼啪”聲，局部片幫伴隨有冒頂現(xiàn)象，最大片幫深度達到1.5m，在掘進面割煤后兩個小時，片幫尤為嚴重。

由實驗室實驗測定結(jié)果可知，3-1煤的內(nèi)聚力c為4.9MPa，內(nèi)摩擦角φ為24°，單軸抗壓強度σc為21.99MPa，抗拉強度σt為1.21MPa，泊松比μ為0.18。首采面三條順槽中，膠運和回風(fēng)順槽的巷高為3.5m，輔運順槽的巷高為3.7m。

由精查地質(zhì)報告和采掘工程平面圖可知，膠運順槽的埋深約為562～637m；回風(fēng)順槽的埋深約為573～637m；輔運順槽的埋深約為570～634m，三條順槽沿著掘進方向埋深不斷增大。

因此，三條順槽所處的埋深滿足剪切型片幫的發(fā)生條件，但不滿足拉伸型片幫的發(fā)生條件，從而表明塔然高勒煤礦掘進中多發(fā)生剪切型片幫，這和井下實際觀察到的片幫情況相吻合。

隨著掘進工作面的不斷推進，埋深加大導(dǎo)致巷道煤壁受到的垂直應(yīng)力相應(yīng)增大，從而片幫程度逐漸加大。而塔然高勒煤礦掘進面片幫的同時伴隨有煤塊彈射的原因是3-1煤層具有較高的沖擊傾向性。

五、結(jié)論

據(jù)實驗室實驗、現(xiàn)場實測和理論分析可知，塔然高勒煤礦掘進面片幫的主要原因是其埋深達到了片幫發(fā)生的臨界埋深；3-1煤層具有較高的沖擊傾向性使得煤壁片幫發(fā)生時伴隨煤塊向巷道空間內(nèi)拋射。這為采取相應(yīng)防治措施，保障礦井安全生產(chǎn)提供了依據(jù)。