王兆會(huì)，唐岳松

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083）

采礦工程專業(yè)知識(shí)具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，煤層賦存條件不同造成工作面開采環(huán)境差異巨大。單純依靠理論教學(xué)很難為學(xué)生直觀呈現(xiàn)工作面復(fù)雜的開采環(huán)境，因此，實(shí)踐教學(xué)在采礦工程專業(yè)教學(xué)環(huán)節(jié)具有重要作用[1-4]。

煤壁片幫是煤炭地下開采活動(dòng)中經(jīng)常遇到的一類圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。特別是在大采高工作面，一次割煤高度增加，揭露煤壁高度增大，煤壁自穩(wěn)能力降低，煤壁片幫現(xiàn)象發(fā)生頻率逐年走高，成為制約大采高開采工作面生產(chǎn)潛能釋放的主要因素[5-7]。為了提高大采高工作面煤壁穩(wěn)定性控制效果，眾多學(xué)者采用理論分析、數(shù)值計(jì)算、工程實(shí)測(cè)和模擬實(shí)驗(yàn)等手段對(duì)煤壁破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，得到了煤壁片幫條件，并提出了許多控制措施[8-10]。由于煤炭地下開采條件的復(fù)雜性，理論分析和數(shù)值計(jì)算結(jié)果通常作為輔助手段，難以直接指導(dǎo)工程實(shí)踐，而工程實(shí)測(cè)需要耗費(fèi)大量人力、物力，很少作為科學(xué)研究的常規(guī)手段。模擬實(shí)驗(yàn)則可真實(shí)再現(xiàn)采動(dòng)影響下工作面煤壁漸進(jìn)破壞過程，為煤壁穩(wěn)定性研究提供了行之有效的手段[11]。

“礦山壓力與巖層控制”作為采礦工程專業(yè)的一門主修專業(yè)課程，培養(yǎng)學(xué)生掌握大采高工作面煤壁片幫原因和控制方法是一項(xiàng)重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容[12]。本文研發(fā)了一種煤壁片幫模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，豐富了煤壁穩(wěn)定性研究方法，同時(shí)應(yīng)用于礦山壓力與巖層控制課程教學(xué)環(huán)節(jié)，為學(xué)生直觀演示煤壁漸進(jìn)破壞過程，極大提高了實(shí)踐教學(xué)效果。

1 煤壁片幫模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

圖1 大采高工作面空間結(jié)構(gòu)

大采高工作面空間結(jié)構(gòu)如圖1所示，煤壁穩(wěn)定性主要受到煤壁高度、煤壁強(qiáng)度、支架參數(shù)、頂板壓力等因素的影響，因此煤壁片幫模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)包括煤壁、支架和頂板物理模型[7]。煤層開采導(dǎo)致巖層運(yùn)動(dòng)，部分巖層重力作用于工作面支架和煤壁之上，稱為頂板壓力，是導(dǎo)致煤壁片幫的直接因素。模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用加載系統(tǒng)精準(zhǔn)控制頂板壓力大小，從而模擬不同頂板巖層賦存條件。為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果定量分析，模擬平臺(tái)配置了多個(gè)壓力和位移傳感器，實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似三條相似準(zhǔn)則，合理設(shè)計(jì)相似比，模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠真實(shí)再現(xiàn)課堂需要講授的煤壁破壞現(xiàn)象，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)傳授知識(shí)的理解和掌握程度。對(duì)于不同開采條件，模擬實(shí)驗(yàn)采用的相似比不同，模型尺寸、材料強(qiáng)度、頂板壓力的選擇具有明顯差異。本文研發(fā)的模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可開展不同埋深、不同煤壁高度和不同支架剛度條件下的煤壁穩(wěn)定性研究。

1.2 平臺(tái)構(gòu)成

煤壁片幫模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括物理模型、加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三個(gè)模塊，如圖2所示。物理模型模塊用于鋪設(shè)模擬煤壁的相似材料模型，以實(shí)際采礦地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，依據(jù)相似定律確定相似比，將石英砂、石膏和石灰按設(shè)計(jì)比例混合均勻，鋪設(shè)于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架之上，模型最大尺寸可達(dá)到 0.8 m×0.8 m×1.5 m。支架模型根據(jù)實(shí)際工作面支架型號(hào)選取，最大支撐高度為 1.5 m，與模型高度一致，支架剛度具有三種類型可供選擇，分別為1.0、1.5和2.0 MN/m。加載系統(tǒng)包括模擬直接頂?shù)幕炷梁癜搴椭苯禹斨系膸r層重力。巖層重力采用大容量千斤頂模擬，根據(jù)實(shí)際頂板壓力對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)償，最大限度還原真實(shí)煤壁所處的應(yīng)力環(huán)境。加載系統(tǒng)最大施加載荷可達(dá)到100 kN，可模擬埋深達(dá)1 000 m的頂板壓力值。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括用于監(jiān)測(cè)頂板和煤壁變形量的線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT）裝置、WXY15M-200-R1位移傳感器和nRF24L01型高速無線收發(fā)裝置[13]。煤壁變形數(shù)據(jù)分為水平位移和垂直位移，垂直位移監(jiān)測(cè)采用外置式LVDT裝置，固定于煤壁外側(cè)，連接數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)采集，采集精度達(dá)到0.01 mm；WXY15M-200-R1位移傳感器為拉繩式水平位移測(cè)量裝置，預(yù)先埋設(shè)于模型內(nèi)部，在工作面中部沿推進(jìn)方向布置，分別埋設(shè)于煤壁上部、中部和底部，用于分析煤壁不同位置的水平變形特征，水平位移數(shù)據(jù)接收和傳輸均采用nRF24L01型高速無線收發(fā)模塊完成。

圖2 煤壁片幫模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2 煤壁片幫模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)方案制定

本次教學(xué)實(shí)驗(yàn)以神東上灣煤礦7.0 m大采高工作面煤壁片幫事故為工程背景，設(shè)計(jì)煤壁片幫模擬實(shí)驗(yàn)方案。上灣煤礦大采高開采工程實(shí)踐表明煤壁高度和支架剛度是影響煤壁穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，因此分別以煤壁高度和支架剛度為變量設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)，用于觀察和講授上述兩種因素對(duì)煤壁穩(wěn)定性的影響，實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

表1 煤壁片幫實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.2 模型鋪設(shè)與載荷施加

根據(jù)上灣煤礦大采高工作面的開采參數(shù)，選取幾何相似比為 1∶10，容重相似比為 1∶1.6，進(jìn)行物理模型鋪設(shè)。選取石英砂、石膏和石灰為相似材料（見圖3），按8∶5∶5的質(zhì)量比例混合，加入占前述材料總質(zhì)量 8%的水?dāng)嚢杈鶆?，進(jìn)行模型鋪設(shè)，每次鋪設(shè)高度為5 cm。模型鋪設(shè)完畢后，等待3 d將模型晾干，避免水分過多影響模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。模型鋪設(shè)和晾干過程中，室驗(yàn)室內(nèi)部溫度和濕度保持不變，避免外部環(huán)境對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。模型晾干后，在煤壁表層刷白色無強(qiáng)度的顏料，畫上0.1 m×0.1 m規(guī)格的參考網(wǎng)格線，便于觀測(cè)煤壁變形特征和裂隙發(fā)育特征。

根據(jù)上灣煤礦開采實(shí)踐，頂板壓力大小利用加載系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，采用計(jì)算機(jī)控制千斤頂逐級(jí)加載，模擬采動(dòng)范圍增加導(dǎo)致頂板壓力逐漸增大的過程。加載速度為5.0 kN/min，用于模擬頂板壓力向煤壁和液壓支架轉(zhuǎn)移的過程，給物理模型足夠的變形時(shí)間。上述加載過程中對(duì)煤壁壓力和煤壁變形數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作，支架立柱可采用彈簧代替，彈簧的剛度即為支架剛度。為保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，煤壁、支架、頂板參數(shù)及實(shí)驗(yàn)過程中的操作流程、加載速度等因素均保持一致。

圖3 相似材料

3 煤壁片幫模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 煤壁變形特征

實(shí)驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)所得煤壁垂直和水平變形演化特征如圖4所示。初始加載階段，作用于煤壁之上的頂板壓力較小，煤壁垂直和水平位移增長(zhǎng)速度均很小，處于低速變形階段；加載時(shí)間50 s后，煤壁垂直變形量進(jìn)入快速增長(zhǎng)階段，垂直變形高速增長(zhǎng)過程持續(xù)至250 s；之后垂直變形速度開始降低，煤壁內(nèi)出現(xiàn)裂隙發(fā)育現(xiàn)象，承載能力開始降低，最大垂直變形量達(dá)到45 mm。

圖4 煤壁變形演化特征

煤壁水平變形低速增長(zhǎng)階段持續(xù)至150 s，表明煤壁水平變形的壓力敏感性低于垂直變形。隨著加載進(jìn)程的繼續(xù)，煤壁水平變形開始快速增長(zhǎng)，250 s時(shí)煤壁承載能力降低，水平變形增長(zhǎng)速度出現(xiàn)降低趨勢(shì)。隨著煤壁損傷程度升高，大尺度裂隙開始在煤壁中形成，橫向變形在約280 s時(shí)出現(xiàn)激增現(xiàn)象，表明破壞裂隙開始貫通，煤壁發(fā)生片幫現(xiàn)象。埋設(shè)于物理模型中的三個(gè)傳感器僅上部和中部傳感器監(jiān)測(cè)到變形，下部傳感器讀數(shù)始終為0，表明煤壁下部沒有發(fā)生變形現(xiàn)象，由圖4(b)可知煤壁上部水平變形（35 mm）明顯大于煤壁中部的水平變形（28 mm）。

煤壁高度和支架剛度對(duì)煤壁變形特征的影響如圖5所示。煤壁高度增加，水平變形量增大，表明煤壁高度增加加劇了采動(dòng)裂隙發(fā)育程度，導(dǎo)致煤壁片幫程度升高，這也是神東礦區(qū)大采高工作面煤壁片幫現(xiàn)象頻發(fā)的原因。支架剛度增大，煤壁水平變形呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，表明選用高剛度液壓支架有助于提高煤壁的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效驗(yàn)證了在以往教學(xué)內(nèi)容始終強(qiáng)調(diào)的“提高工作面液壓支架額定工作阻力，有利于控制頂板穩(wěn)定性”這一結(jié)論；同時(shí)表明提高液壓支架剛度對(duì)煤壁片幫現(xiàn)象具有很好的抑制作用。

圖5 煤壁變形特征影響因素

3.2 煤壁片幫形態(tài)

煤壁高度對(duì)片幫形態(tài)的影響如圖6所示。煤壁高度3 m的條件下，工作面表現(xiàn)為上部片幫，片幫高度約0.8 m，片幫深度約0.3 m；煤壁高度增加至5 m時(shí)，煤壁破壞范圍增加，表現(xiàn)為中部和上部同時(shí)片幫，片幫高度達(dá)到2.8 m，片幫深度為0.5 m；煤壁高度增加至7 m時(shí)，片幫范圍擴(kuò)展至底板附近，片幫深度達(dá)到1.0 m；煤壁高度增加至9 m時(shí)，揭露范圍內(nèi)的煤壁全部發(fā)生破壞，表現(xiàn)為整體片幫形式，片幫深度增加至1.3 m。由不同采高條件下煤壁的破壞形態(tài)可知：隨著煤壁高度增加，煤壁破壞范圍擴(kuò)大，片幫程度升高，對(duì)開采安全的威脅程度增大。

圖6 煤壁高度對(duì)片幫形態(tài)的影響

不同支架剛度條件下，煤壁破壞形態(tài)如圖7所示。支架剛度為1.0 MN/m時(shí)，煤壁呈現(xiàn)整體片幫形式，最大破壞深度達(dá)到 1.0 m，位于煤壁中部，煤壁破壞面積達(dá)到模型尺寸的64%；支架剛度為1.5 MN/m時(shí)，煤壁呈現(xiàn)中部和上部同時(shí)片幫，最大破壞深度達(dá)到0.8 m，位于煤壁上部，煤壁破壞面積達(dá)到模型尺寸的50%；支架剛度為2.0 MN/m時(shí)，煤壁呈現(xiàn)上部片幫形式，破壞高度和深度均明顯減小，分別為3.6和0.7 m，煤壁破壞面積達(dá)到模型尺寸的33%。

圖7 支架剛度對(duì)煤壁破壞形態(tài)的影響

4 實(shí)踐教學(xué)效果分析

4.1 直觀呈現(xiàn)煤壁片幫現(xiàn)象，提高教學(xué)效果

模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^展示煤壁破壞裂隙由萌生到擴(kuò)展直至貫通的整個(gè)發(fā)育過程，真實(shí)地再現(xiàn)了煤壁片幫現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明，煤壁片落塊體對(duì)支架和實(shí)驗(yàn)臺(tái)均會(huì)產(chǎn)生沖擊效果，特別是片落塊體體積大，片幫位置集中于上部時(shí)，煤壁片幫會(huì)對(duì)支架、頂板的穩(wěn)定會(huì)造成嚴(yán)重的威脅。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能夠直接展現(xiàn)，對(duì)學(xué)生的視覺沖擊性強(qiáng)，提高了學(xué)生對(duì)煤壁片幫現(xiàn)象的理解程度，讓學(xué)生感受到了煤壁片幫的危害；實(shí)驗(yàn)在專業(yè)實(shí)驗(yàn)員指導(dǎo)下完成，讓學(xué)生親身參與實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)全程無危險(xiǎn)隱患，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)安全性良好，學(xué)生能根據(jù)自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作，從模擬煤壁模型的搭建，到頂板、支架和加載系統(tǒng)的布置，再到對(duì)煤壁加載直至片幫的整個(gè)過程均可以由學(xué)生親手操作完成，有效地提高學(xué)生動(dòng)手操作能力；實(shí)驗(yàn)中學(xué)生能充分了解大采高工作面頂板—煤壁—支架的空間關(guān)系和相互作用效果，在安全區(qū)域全方位觀察煤壁片幫發(fā)生過程及煤壁片落形態(tài)，將課本中的圖片轉(zhuǎn)為空間模擬實(shí)驗(yàn)，能有效加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解。

4.2 “學(xué)—研”結(jié)合，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣

將科研成果融入課堂，通過講授研究成果對(duì)工程實(shí)踐的指導(dǎo)意義，激發(fā)了學(xué)生對(duì)采礦工程的專業(yè)認(rèn)同感，讓學(xué)生明確采礦工程是一門科學(xué)，采礦過程遇到的每個(gè)難題都是一項(xiàng)科學(xué)問題，需要結(jié)合力學(xué)、高等數(shù)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、系統(tǒng)工程等多個(gè)學(xué)科進(jìn)行解釋和分析，科學(xué)的開采才是保障生產(chǎn)效率和安全的必由之路。強(qiáng)烈的實(shí)驗(yàn)沖擊效果能讓學(xué)生深刻認(rèn)知煤壁片幫現(xiàn)象對(duì)煤炭安全開采的威脅，促進(jìn)學(xué)生探索解決問題的方法，提高發(fā)現(xiàn)并解決問題的能力，在指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下讓學(xué)生在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上創(chuàng)新思考，大膽設(shè)想，提出相應(yīng)的煤壁片幫治理方案如對(duì)煤壁進(jìn)行注漿加固、優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)、調(diào)整支架參數(shù)等，同時(shí)利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)自己的創(chuàng)新性想法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

5 結(jié)語

本文研發(fā)了一種大采高工作面煤壁片幫模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括物理模型、加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三個(gè)模塊，可改變煤壁高度、強(qiáng)度、支架剛度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)多種開采條件的模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法為學(xué)生直觀演示了大采高工作面煤壁變形破壞的全程演化特征，形象展示了各類片幫模式，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。將研發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了“學(xué)—研”結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的科研興趣和動(dòng)手操作能力。