杜 勇，谷文偉

(1.淮北礦業(yè)股份有限公司 袁店一井煤礦，安徽 淮北 235000；2.安徽理工大學 礦業(yè)工程學院，安徽 淮南 232001)

傾斜煤層開采過程中，時常出現(xiàn)頂板大面積垮落和煤壁片幫等現(xiàn)象，嚴重制約著煤礦的安全生產[1]，因此，掌握傾斜煤層覆巖運移規(guī)律和煤壁片幫機理迫在眉睫。對于解決這部分問題，很多專家學者進行了深入研究。伍永平等[2]通過建立煤壁空間受力模型對煤壁片幫機理及“支架-圍巖”系統(tǒng)進行研究，并基于工作面的實際生產提出了大傾角軟煤綜放工作面煤壁片幫防控措施。李建國等[3]以河灘溝煤礦放頂煤工作面為對象，運用力學分析方法，提出俯斜、仰斜開采影響煤壁片幫的力學機理，得出工作面不同推進方向引起的頂板支承壓力相對煤壁自由面的位置不同，會造成工作面煤壁出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。楊勝利等[4]通過低摩擦實驗和數(shù)值模擬計算，分析了傾斜長壁工作面，將煤壁分為三種破壞模式，并通過偽俯斜布置來提高煤壁和頂?shù)装宓姆€(wěn)定性。羅生虎等[5]針對2130煤礦25221工作面出現(xiàn)的煤壁受載與失穩(wěn)特征，分析了煤壁片幫在工作面傾斜、垂直方向的形成原因，并結合實際生產情況提出治理措施。馬盟等[6]揭示了陽煤一礦S8310綜采工作面的煤壁片幫規(guī)律，通過數(shù)值模擬分析了煤壁片幫和仰采、支護強度及煤體硬度的關系，提出采用俯采和提高支護強度等措施可以有效控制煤壁片幫現(xiàn)象。

本文在已有研究基礎上，基于淮北袁店一井煤礦1035工作面的具體工程情況，建立煤壁受力模型，采用FLAC3D數(shù)值模擬對緩斜煤層開采過程中頂板的運移特征、采場圍巖應力分布和煤壁片幫現(xiàn)象進行深入的研究，為不同傾角煤層開采提供相應的技術依據。

1 工程概況

袁店一井煤礦1035工作面煤層賦存穩(wěn)定，煤厚2.2～4.4 m，平均厚3.45 m，向斜軸以里煤層傾角12～26°，平均19°；向斜軸以外煤層傾角12～27°，平均23°，本文主要研究向斜軸以外的煤層，為仰采段。老頂為細砂巖，厚3.7～11.1 m，平均5.9 m。直接頂為泥巖，厚2.5～11.9 m，平均6.3 m，致密塊狀，局部含較多砂質，巖性較脆。偽頂為泥巖，厚0～0.3 m，位于煤層頂部，性軟，不穩(wěn)定。直接底為泥巖，厚4.3 m，巖性軟，含較多炭質及植物化石碎片。老底為砂巖，厚13.2 m，巖性較硬。

2 傾斜工作面煤壁受力分析

取袁店一井煤礦1035工作面煤壁側研究，受覆巖應力和采動影響，在煤壁側和頂板處產生較大的分布力，煤壁具體受力模型如圖1所示。

圖1 煤壁側受力情況

袁店一井煤礦1035工作面頂板結構完整，破壞主要發(fā)生在煤壁側，為簡化煤壁側受力模型，忽略煤壁與頂?shù)装逯g的摩擦力，建立如圖2所示的煤壁側沿垂直頂?shù)装宸较虻膹椥粤毫W模型。

圖2 煤壁側簡化受力模型

根據圖2所示的受力模型，取距O點為x的任一截面，其彎矩方程為：

(1)

由彎矩方程可得傾斜煤壁的撓曲線近似微分方程為：

(2)

(3)

+C1x+C2

(4)

式中:ω為撓度；F為垂直工作面的分布力，N；fAZ為支架沿Z方向對煤壁的支承反力，N；q為煤層內力，N；H為工作面采高，m；α為工作面傾角，°；E為彈性模量，N/m2；I為慣性距，m；C1、C2為積分常數(shù)。

煤壁的邊界條件：在x=0處，ω=0，則C1=0;在x=0處，ω'=0，則C2=0。

將確定的積分常數(shù)帶入公式(3)、公式(4)，即得梁的轉角方程和撓曲線方程分別為：

(5)

(6)

假設x取H/2時，上式可改寫成：

(7)

袁店一井煤礦1035工作面向斜軸以外傾角為12～27°，呈遞增狀態(tài)，由公式(7)可知，當上部應力保持一定時，撓度隨傾角的增大而增大，當傾角一定時，應力對撓度有直接影響，即ω∝F、ω∝α。

3 數(shù)值模擬實驗

基于袁店一井煤礦1035工作面的地質情況，在巖石力學參數(shù)的基礎上優(yōu)化模型結構，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維模型，模擬傾斜煤層仰采階段的片幫情況，具體模型如圖3所示。模型尺寸為：長×寬×高=260 m×210 m×145 m，即對145 m厚的圍巖結構進行模擬分析，模擬煤層的下限標高為-327 m、上限標高為-273.5 m,模型的下限標高為-349.5 m，上限標高為-204.5 m，共計10層不同巖性的巖層，可以準確地反映出圍巖結構的層狀巖性。

圖3 數(shù)值計算模型

監(jiān)測垂直應力數(shù)據,如圖4所示。

圖4 工作面不同推進距離垂直應力

由圖4可知：開挖5 m時，應力集中范圍較小，超前支承壓力在工作面前方2.3 m達到峰值，約9.1 MPa，影響范圍為6.7 m，應力集中系數(shù)為1.11。工作面推進30 m時，應力集中范圍變大，超前支承壓力在工作面前方8.1 m達到峰值，影響范圍將近40 m，應力集中系數(shù)為1.54。當工作面推進40 m時，應力峰值及其影響范圍變化較小。開挖50～60 m，超前支承壓力繼續(xù)向煤壁深處轉移，應力峰值由12.2 MPa增加到14.1 MPa，應力集中系數(shù)變化范圍為1.49～1.92，影響范圍為60～90 m。

當工作面回采一定距離后，采空區(qū)后方由于自重應力的影響被重新壓實，支承壓力峰值增大趨勢逐步變緩，具體分布云圖如圖5所示。這說明工作面一次見方時期，壓力顯現(xiàn)相對較為明顯，建議工作面回采時加強一次見方期間及其后期的頂板管理等安全生產工作。

圖5 工作面垂直應力分布云圖

為了更加直觀的分析袁店一井煤礦1035工作面傾斜煤層開采后的煤壁失穩(wěn)情況，取工作面在5°、15°和25°情況下的煤壁片幫情況，可得到煤壁位移云圖，如圖6所示。由圖6可知，采高固定在4 m，當煤層傾角從5°增加到15°，煤壁水平位移分布情況變化較小，從15.71 cm增加至18.22 cm，增大了16%；而當煤層傾角從15°增加到25°時，最大水平位移由18.15 cm增加到22.43 cm左右，增大了23.6%，最大水平位移增大了42.8%，可得煤層片幫破壞的傾角臨界值為15°，當傾角大于15°時，工作面煤壁水平變形也會顯著增加。

工作面開采后，在靠近煤壁附近出現(xiàn)大量的拉伸破壞區(qū)，降低了煤體的整體性及承載能力。隨著傾角的增大，煤壁片幫現(xiàn)象也更加劇烈，開挖5°煤層時，工作面煤壁片幫現(xiàn)象不明顯，煤壁保存較為完整。開挖15°和25°煤層時，煤壁出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，并伴隨掉渣等情況，特別是在初次來壓之前，煤壁破壞十分明顯，這是由于傾角增大，導致煤壁內支承壓力增大，從而使片幫情況加重。

此外，由圖7塑性區(qū)發(fā)育情況可以看出，隨著煤層傾角的增加，工作面煤壁前方塑性區(qū)逐漸增加，從煤層傾角5°時的4.8 m增加到煤層傾角25°時的17.4 m，在模擬煤層傾角的范圍內，塑性區(qū)增長速度隨著煤層傾角的增加逐漸增大。同時，隨著煤層傾角的增加，頂?shù)装逅苄詤^(qū)受到的拉剪破壞范圍增大。頂板塑性區(qū)面積逐漸增加，同時向工作面右上方偏移，底板塑性區(qū)則逐漸向工作面下部擴展，即工作面塑性區(qū)主要向工作面前方集中，塑性區(qū)逐漸向更高更深的巖體內部發(fā)展。綜上，隨著工作面煤層傾角的增加，工作面前方塑性區(qū)范圍越大，這就導致工作面越易發(fā)生片幫漏頂事故。

由于煤層傾角較大，工作面開采后，上端頭煤壁向一側傾斜，加上煤層整體性及承載能力下降，上端頭煤壁發(fā)生片幫。下端頭煤壁由于內側煤層的支撐，無明顯的片幫現(xiàn)象。加之，工作面寬度為120 m左右，兩幫煤壁起到支撐作用，覆巖下沉量從中部向兩側逐漸減小。因此，工作面開采過程中應注意靠近工作面上半部分煤壁片幫的管理，防止煤壁片幫事故的發(fā)生。

圖7 不同傾角煤層煤壁塑性區(qū)

4 片幫防控措施

結合上述特征，基于袁店一井煤礦1035傾斜工作面的實際生產情況，提出以下片幫防控措施：

1) 注漿加固。采用注漿加固，保持頂板的穩(wěn)定程度，從而提高煤層開挖的連續(xù)性，減少上覆巖層運移破壞所造成的片幫現(xiàn)象，保證工作面的連續(xù)推進。

2) 增大主動支護。隨著工作面開挖深度的加大，上覆巖層的破壞情況更加嚴重，提高液壓支架的初撐力，調整液壓支架的位置，使支架頂梁可以頂住煤壁，減少上覆巖層的下沉。

3) 動態(tài)監(jiān)測。采用動態(tài)監(jiān)測設備，對工作面煤壁進行全方位的監(jiān)測，以便快速掌握工作面壓力顯現(xiàn)規(guī)律，對于片幫情況能夠及時監(jiān)測，防止片幫情況的發(fā)生。

1035工作面通過采用以上技術措施，有效控制了煤壁片幫情況的發(fā)生，使袁店一井煤礦成功實現(xiàn)煤礦的安全高效生產。

5 結 語

1) 通過理論分析和數(shù)值模擬實驗，確定仰采工作面上覆巖層的破壞滑移特征，得出工作面開采受傾角的影響，傾角越大，煤壁片幫情況越明顯，來壓越劇烈，上覆巖層的破壞范圍變大，采空區(qū)后方頂板破斷更加劇烈。

2) 相同開采厚度條件下，煤壁片幫的臨界為15°，隨著回采的不斷進行，煤層傾角逐漸變大，仰采角度變大，煤壁水平位移逐漸增加，即片幫情況加重。超前支承壓力的峰值大小逐漸增加，峰值位置離煤壁越來越近，超前支承壓力的影響范圍也逐漸減小。

3) 工作面中上部頂板的破壞高度大于工作面下部頂板的破壞高度，而工作面中上部底板的破壞深度小于工作下部的底板破壞深度。因此仰采工作面開采時，工作面中上部頂板活動程度大，這也導致工作面中上方的液壓支架支撐難度加大，此時須提高液壓支架的初撐力，保證支撐到位。由于工作面傾角過大，必須控制液壓支架的位態(tài)，以防止支架傾倒。