田取珍，張愛絨，路全寬，劉躍飛，李鵬翔

（太原理工大學(xué)a.礦業(yè)工程學(xué)院；b.期刊中心，太原030024）

龍泉井田位于山西省中部的婁煩縣境內(nèi)，井田面積35.23km2。龍泉礦井的建設(shè)規(guī)模為5.0Mt／a，首采區(qū)布置在4號煤層。4號煤層厚度為1.70～8.2 m，平均6.47m，煤層傾角大部為5°～10°，最大不超過15°，埋藏深度約300～1 000m，首采區(qū)平均采深450m。針對4號煤提出了放頂煤和大采高采煤方法，從技術(shù)上對比，大采高比放頂煤生產(chǎn)管理簡單，但煤壁的穩(wěn)定性成為其能否采用的決定性因素。隨著采高的加大，煤壁片幫深度增大，煤壁片幫對工作面正常生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響：首先影響職工的人身安全與正常生產(chǎn)的進(jìn)行。據(jù)我國多個大采高工作面現(xiàn)場觀測，在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地帶片幫非常嚴(yán)重，片幫范圍從幾米至十幾米，甚至整個工作面。片幫深度也達(dá)到了3～5m，片幫的塊度可達(dá)到5～20m3，經(jīng)常把工作面刮板機(jī)砸變形，甚至進(jìn)入支架內(nèi)人行道，片落的大塊煤體無法通過采煤機(jī)，影響了正常割煤。其次，煤壁片幫后，空頂距增大，引起端面漏冒，導(dǎo)致頂板條件惡化，而頂板條件惡化又導(dǎo)致支架接頂差，支架受力不均，容易引起支架部件損壞，造成頂板事故，這樣的惡性循環(huán)無法實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效，同時也是安全生產(chǎn)的重大隱患［1］。

1 龍泉礦4號煤圍巖物理力學(xué)測試

為了分析龍泉煤礦4號煤在大采高條件下的煤壁穩(wěn)定性，我們在現(xiàn)場取巖心得到龍泉煤礦4號煤柱狀圖（見圖1），通過巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到了4號煤的頂?shù)装宓奈锢砹W(xué)參數(shù)（見表1），并在此基礎(chǔ)上對煤壁的穩(wěn)定性進(jìn)行了力學(xué)分析和數(shù)值模擬研究。

表1 4號煤層及頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)表

圖1 柱狀圖

2 工作面煤壁片幫的力學(xué)分析

采煤工作面煤體在尚未開采時，上覆原始鉛直力為γH，水平力約為μγH／（1－μ）處于原始的三向應(yīng)力平衡條件下。當(dāng)煤體開采后，開采煤壁的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生以下三種變化：

1）煤壁附近應(yīng)力平衡遭到破壞，煤壁煤體由三向受力變?yōu)槎蚴芰顟B(tài)甚至于單向受力狀態(tài)，由巖石力學(xué)可知二向受力狀態(tài)的抗破壞性低于三向受力狀態(tài)，因此工作面煤壁的穩(wěn)定性必然減??；

2）煤層開采在工作面前方形成了超前支承壓力KγH，它隨著工作面的推進(jìn)而向前移動，在支承壓力作用下，工作面前方形成了破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性應(yīng)力升高區(qū)、原始應(yīng)力區(qū)。而煤壁處于破裂區(qū)和塑性區(qū)，其穩(wěn)定性必然減??；

3）由于工作面的推進(jìn)將引起基本頂?shù)某醮蝸韷汉椭芷趤韷海瑏韷簳r基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)運(yùn)動對直接頂產(chǎn)生剪切和拉伸破壞，將部分支承壓力轉(zhuǎn)移到煤壁上，使煤壁裂隙發(fā)育，易發(fā)生煤壁片幫，誘發(fā)工作面機(jī)道冒頂。由于以上三點(diǎn)原因，煤壁前的煤體由完整的塊體，經(jīng)歷了在二向應(yīng)力狀態(tài) 下的支承壓力擠壓，被破壞成為近散體狀的塑性破壞狀態(tài)。此處的煤壁受到采動影響時將會發(fā)生壓剪式、滑落式、劈裂式或橫拱式片幫現(xiàn)象［2］。

4號煤埋深平均為450m，則垂直應(yīng)力為：γH ＝26 000N／m3×450m＝11.7MPa.則支承壓力峰值為KγH，K取2～4，則KγH 介于23.4～46.8MPa間，由巖石力學(xué)庫倫破壞準(zhǔn)則：

式中：σ3為水平水平應(yīng)力松比（實(shí)驗(yàn)室測得為0.27）；γ為上覆巖層平均容重為26 000N／m3；φ為煤的內(nèi)摩擦角（實(shí)驗(yàn)室測得為26.35°）；σc為煤塊的單軸抗壓強(qiáng)度（實(shí)驗(yàn)室測得為13.58MPa）。

得到使煤體在三向受力下破壞的支承壓力強(qiáng)度為σ1＝24.8MPa。由于隨著采高的加大，支承壓力必然增大，K可取大值；而且由于煤體本身的強(qiáng)度低于煤塊強(qiáng)度，所以σ1＜KγH。則煤壁在工作面前必然破壞，破壞的深度為工作面前塑性區(qū)深度［4］：

由巖石力學(xué)參數(shù)得知：采高m＝6m，內(nèi)摩擦角φ＝26.35°，粘聚力C＝2.02MPa，應(yīng)力集中系數(shù)K取4，γ＝0.026MPa，采深H＝450m，水平支護(hù)力p1＝0，煤層與頂?shù)装宓哪Σ料禂?shù)f＝0.5。計算得x0＝3.7m。

由上式可以知道塑性區(qū)破壞深度隨著采高m、應(yīng)力集中系數(shù)K、煤的埋深H 的增大而增大，與煤的硬度（內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角）和支架對煤幫的阻力p1成反比。

減小塑性區(qū)深度x0可以降低煤壁片幫概率，可以采用以下方法減小塑性區(qū)的深度：

1）降低采高。龍泉煤礦4號煤平均厚度為6.47m，首采區(qū)煤層厚度為6～8m，降低采高將引起回收率的降低，不經(jīng)濟(jì)合理。

2）加固煤體，可以在煤壁處打錨桿或者化學(xué)藥劑加固，以提高煤的強(qiáng)度，但是大采高工作面長達(dá)200多米，費(fèi)工費(fèi)時，影響割煤，且工人的工作環(huán)境的安全性不能保證。

3）增加液壓支架護(hù)幫板支護(hù)強(qiáng)度，但護(hù)幫板支護(hù)強(qiáng)度比較低（一般約為0.5MPa左右），且在采煤機(jī)割煤段前后幾十米范圍不能打開，如果煤壁本身破碎嚴(yán)重，則割煤時就會發(fā)生片幫漏頂。

4）增大支架工作阻力。增大支架工作阻力，可以降低煤壁前支承壓力，減小應(yīng)力集中系數(shù)k，有利于緩解煤壁片幫，模型力學(xué)原理如圖2所示［5］。

圖2 采場結(jié)構(gòu)模型

對A點(diǎn)取矩，得力矩平衡

式中：T為老頂受到的水平推力；q為上覆巖層載荷；F2為支架工作阻力；F1為煤壁處的壓力。由（2）式可知支架工作阻力F2的增加將會使得煤壁處壓力F1減小。

3 工作面煤壁片幫的數(shù)值模擬

通過RFPA2D數(shù)值模擬的手段，分析工作面煤壁穩(wěn)定性狀態(tài)和工作面圍巖力學(xué)變化狀態(tài)。

數(shù)值模型如圖3，模型共分為3層，首采區(qū)4號煤層的平均開采深度按450m考慮，各層所代表的巖層及煤體如圖3所示。數(shù)值模型的力學(xué)參數(shù)以煤礦巖層力學(xué)性質(zhì)的測試參數(shù)為依據(jù)，模型的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表2。圖中所示的灰度是通過細(xì)觀單元的相對彈性模量值所表達(dá)的非均勻性特征，灰度越亮，則其值越高，灰度越暗，則其值越低。支架工作阻力分別為8 000，10 000，12 000kN，模擬結(jié)果如圖4—圖6所示。

表2 數(shù)值模型的力學(xué)參數(shù)

圖3 數(shù)值模型

圖4 液壓支架工作阻力為8 000kN采場結(jié)構(gòu)模型時煤壁片幫結(jié)果

圖5 液壓支架工作阻力為10 000kN時煤壁片幫結(jié)果

軟煤發(fā)生片幫的形式多以剪切為主，硬煤發(fā)生片幫的形式多以拉伸為主。但煤體最終發(fā)生片幫時的破壞形式還是以剪切為主，說明煤體應(yīng)力集中程度被降低或是頂板和液壓支架分擔(dān)的應(yīng)力還是沒有達(dá)到使煤體發(fā)生拉伸破壞的程度。

圖6 液壓支架工作阻力為12 000kN時煤壁片幫結(jié)果

通過數(shù)值模擬軟件RFPA2D模擬煤壁片幫結(jié)果顯示可知，采高為6.0m時，當(dāng)液壓支架工作阻力為8 000kN，片幫深度為3.0m；當(dāng)液壓支架工作阻力為10 000kN，片幫深度為2.6m；當(dāng)液壓支架工作阻力為12 000kN，片幫深度為2.2m?？梢钥闯?，4號煤層采高為6.0m時，煤壁穩(wěn)定性很差，且支架工作阻力對片幫深度影響不大，發(fā)生冒頂和片幫的概率很大，不利于使用大采高綜采。

由以上模擬結(jié)果建立了液壓支架工作阻力與片幫深度之間的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 液壓支架工作阻力與片幫深度之間的關(guān)系

其關(guān)系式為：

式中：y為煤壁片幫深度，m；x為液壓支架工作阻力，kN。

4 結(jié)論

1）工作面開采引起的支承壓力使得煤壁變?yōu)樗苄源笞冃螏r體，受到采動影響就會發(fā)生片幫，片幫形式與煤體的結(jié)構(gòu)面方向密切相關(guān)。通過計算在龍泉煤礦的條件下，煤壁前的煤體必然被破壞。

2）通過理論分析得知影響煤壁塑性區(qū)的大小是采高、煤的硬度、煤的埋深、支架的支護(hù)力、支承壓力的大小的綜合作用結(jié)果。在其他條件為已有不可改變條件下，可以提高支架阻力，降低應(yīng)力集中系數(shù)K，從而減小塑性區(qū)范圍，緩解煤壁片幫。

3）通過數(shù)值模擬得到了煤壁片幫深度與支架工作阻力的函數(shù)關(guān)系，支架工作阻力對片幫深度影響不大。通過函數(shù)計算，要使工作面偏幫深度小于0.5m，則支架工作阻力需要8.53萬kN，支架在現(xiàn)有的技術(shù)條件下是不可能制造出來的。可以看出，龍泉礦井4號煤實(shí)現(xiàn)6.0m大采高比較困難。

4）國內(nèi)6.0m大采高綜采煤層賦存具備以下共有特征：

a.井田內(nèi)地質(zhì)條件簡單，地質(zhì)構(gòu)造少，開采條件優(yōu)越；

b.煤層厚度變化??；

c.煤層傾角小，多為近水平煤層；

d.煤層硬度高，普氏系數(shù)普遍大于2；

e.煤層韌性高，冒放性差；

f.頂板屬易冒落至中等冒落頂板。從工程類比上看，龍泉煤礦煤厚度變異系數(shù)較大，煤的硬度較低，也不適用大采高采煤方法。

［1］ 弓培林.大采高采場圍巖控制理論及應(yīng)用研究［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2006.

［2］ 李建國，田取珍，楊雙鎖.河灘溝煤礦綜放面煤壁片幫機(jī)理及其控制［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2003，31（12）：73-75.

［3］ 錢鳴高.礦山壓力與巖層控制［M］.江蘇：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

［4］ 熊仁欽.關(guān)于煤壁內(nèi)塑性區(qū)寬度的討論［J］.煤炭學(xué)報，1989，3（1）：16-22.

［5］ 王家臣.極軟厚煤層煤壁片幫與防治機(jī)理［J］.煤炭學(xué)報，2007，32（8）：785-788.