采場(chǎng)煤壁失穩(wěn)機(jī)理及控制技術(shù)研究

李建勝，楊永康，康天合，張愛(ài)絨

（太原理工大學(xué)a.采礦工藝研究所；b.學(xué)報(bào)編輯部，太原030024）

隨著采高的增大，煤壁失穩(wěn)片幫的機(jī)率增加。煤壁片幫直接影響工作面安全生產(chǎn)，是生產(chǎn)管理中的重要指標(biāo)。煤壁失穩(wěn)片幫將增大工作面端面距，進(jìn)而引發(fā)端面漏冒，導(dǎo)致頂煤頂板條件惡化，進(jìn)一步引起支架不能正常接頂，支架所受載荷不均勻，容易引起支架后立柱卡環(huán)、頂梁、后立柱等部件損壞，進(jìn)而引起支架圍巖關(guān)系惡化，進(jìn)一步導(dǎo)致支架圍巖關(guān)系惡化而引起頂板事故和片幫事故，形成惡性循環(huán)［1］。弓培林教授［2］根據(jù)煤體裂隙分布特點(diǎn)，對(duì)煤壁穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并采用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)煤壁穩(wěn)定性進(jìn)行了分類；袁永博士［3］認(rèn)為煤壁片幫是一個(gè)由微觀裂隙發(fā)育到宏觀“楔形”滑動(dòng)體失穩(wěn)的過(guò)程，并從微觀和宏觀兩個(gè)角度分析其穩(wěn)定性的主要因素；寧宇研究員［4］認(rèn)為采用二級(jí)護(hù)幫機(jī)構(gòu)、縮小端面距、提高支架工作阻力、電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)擦頂移架、及時(shí)移架，將移架速度在8s以內(nèi)可有效控制煤壁片幫；富強(qiáng)博士［5］認(rèn)為端面控頂區(qū)頂煤冒落主要是由拉應(yīng)力引起的，并提出從回采工藝和支架結(jié)構(gòu)兩方面解決“三軟”厚煤層工作面頂板控制主要問(wèn)題。目前，人們都認(rèn)識(shí)到工作面前方支承壓力是煤壁片幫的主要原因，煤層強(qiáng)度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、構(gòu)造情況、支架性能等對(duì)煤壁片幫有影響，未考慮煤體自身的力學(xué)結(jié)構(gòu)特征，對(duì)煤壁片幫的規(guī)律和機(jī)理未能深入的研究，如何定量分析及采取措施尚未解決。

1 工作面煤壁失穩(wěn)機(jī)理分析

大采高綜放采場(chǎng)易于發(fā)生煤壁片幫，為定量分析煤壁片幫，在工作面煤壁深處取任一截面，建立上端簡(jiǎn)支下端固支的受力壓桿模型（圖1），在均布載荷q作用下，桿件將會(huì)發(fā)生彎曲變形。距下支座距

圖1 壓桿的受力模型

離為x處截面上的撓曲線近似微分方程為：

式中：E為彈性模量；I為慣性矩；υ″為撓度；q為水平方向的合力；p為垂直方向壓力；l為煤壁高度。

由邊界條件：

1）當(dāng)x＝0時(shí)，υ＝0；

2）當(dāng)x＝l時(shí)，υ＝0，可得

在相同條件下，煤巖的彈性模量越大，撓度越??；在垂直方向應(yīng)力越大，水平方向受力越大，邊墻越高，撓度就越大。煤層開(kāi)采引起煤壁垂直應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，水平應(yīng)力降低區(qū)會(huì)逐步擴(kuò)大和加深，水平應(yīng)力釋放造成合力q增大?？傻萌缦陆Y(jié)論。

1.1 不同煤層潛在破壞機(jī)制不盡相同

中硬煤或夾矸彈性模量大，在載荷作用下產(chǎn)生的彎曲變形很小，支承應(yīng)力峰值大于其強(qiáng)度時(shí)將發(fā)生潰層屈服破壞形成塊狀體，深部煤體將成為為主要自承載層?？梢哉J(rèn)為，二次應(yīng)力場(chǎng)提供能量轉(zhuǎn)化為側(cè)幫開(kāi)裂、剝落等脆性破裂，在煤壁中部產(chǎn)生破裂、片幫（圖2-a）。

軟煤彈性模量較小，在煤壁淺部由于水平受力較大而撓度增大，煤體將剪切滑移、錯(cuò)動(dòng)、失穩(wěn)坍塌，流向回采工作面且以水平位移為主；煤壁深處由于q減小，水平方向位移逐漸減小，在豎直方向有向上下硬夾層擠壓的趨勢(shì)?？梢哉J(rèn)為，二次應(yīng)力場(chǎng)提供能量轉(zhuǎn)化為位移或局部弱化，在工作面上表現(xiàn)為整體滑移失穩(wěn)（圖2-b）。

斜溝13號(hào)煤為中硬煤，中間有夾矸，層狀煤與矸石受支承應(yīng)力作用后，破裂面沿層面發(fā)展，軟弱煤層屈服范圍反而少。煤體的變形與破壞是不均勻的，變形與受力不協(xié)調(diào)現(xiàn)象一旦加劇則可能出現(xiàn)大面積的片幫冒頂。

1.2 采用注漿或錨桿支護(hù)防治煤壁片幫

采用注漿或錨桿支護(hù)防治煤壁片幫的目的是減緩或阻止水平應(yīng)力的釋放，減緩水平應(yīng)力向縱深發(fā)展。加固煤壁后，能增加煤巖大小結(jié)構(gòu)體移動(dòng)或滾動(dòng)的阻力，減小q促使巖體形成承載墻，阻止邊墻幫部巖體垮落。

1.3 降低煤壁片幫

降低煤壁片幫率的最有效措施是減小邊墻高度，即降低采高，這又與高產(chǎn)高效相矛盾。

圖2 大采高煤壁片幫示意圖

2 采場(chǎng)煤壁控制技術(shù)

2.1 現(xiàn)有防治煤壁片幫方法

在現(xiàn)有技術(shù)中有四種防治工作面煤壁片幫的方法，但實(shí)踐證明現(xiàn)有技術(shù)對(duì)煤壁的作用存在著局部性、滯后性、被動(dòng)性、有限性和危險(xiǎn)性：

1）采用液壓支架的護(hù)幫板維護(hù)工作面煤壁和端面的穩(wěn)定。護(hù)幫板僅對(duì)煤壁的上部局部范圍有水平推力，作用不到片幫最為嚴(yán)重的中部，且?guī)r體暴露時(shí)間與護(hù)幫板不能同步。

2）在煤壁上安裝可截割的護(hù)幫錨桿或煤壁鉆孔注漿固結(jié)煤壁。安裝錨桿和注漿加固需要時(shí)間長(zhǎng)，來(lái)不及實(shí)現(xiàn)煤體自承載且影響采煤作業(yè)。

3）提高液壓支架的支護(hù)阻力。提高支護(hù)阻力后支架的設(shè)備增大，成本增大，效果也十分有限。

2.2 臺(tái)階煤壁采煤法

根據(jù)壓桿的受力模型，提供了一種能夠從根本上解決工作面煤壁片幫和端面頂板冒漏，并可實(shí)現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)的厚煤層大采高工作面臺(tái)階煤壁采煤方法（已申請(qǐng)發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枺?00910073898.4）。如圖3所示，將煤壁分成兩個(gè)臺(tái)階，臺(tái)階煤壁由臺(tái)階面、臺(tái)階面上煤壁與臺(tái)階面下煤壁構(gòu)成；所述的臺(tái)階煤壁在工作面推進(jìn)過(guò)程中，臺(tái)階面上煤壁始終超前臺(tái)階面下煤壁。此方法有顯著效果：

1）將大高度平直煤壁改變成前后錯(cuò)開(kāi)的兩個(gè)煤壁，避免超高煤壁長(zhǎng)時(shí)間停留造成片幫冒頂。臺(tái)階面上煤壁承受的頂板應(yīng)力向下轉(zhuǎn)移到了臺(tái)階面下煤壁的深處，作用在煤壁上應(yīng)力狀態(tài)由煤壁淺部的二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樯畈咳驊?yīng)力狀態(tài)，同時(shí)釋放了頂板傳遞給臺(tái)階面下煤壁的支承應(yīng)力q，使臺(tái)階面下煤壁為無(wú)載荷煤壁，改善了大采高工作面煤壁的穩(wěn)定性。

圖3 臺(tái)階煤壁采煤方法示意圖

2）當(dāng)發(fā)生煤壁片幫和頂板端面冒漏，片幫或冒漏的煤和巖石會(huì)掉落在臺(tái)階面上，或在臺(tái)階面上低位滑落，從而可以確保位于臺(tái)階面下煤壁前機(jī)道處的人員和設(shè)備的安全，實(shí)現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)，有利于大采高綜放開(kāi)采技術(shù)的推廣應(yīng)用。

3 結(jié)論

1）為定量分析煤壁片幫，建立受力壓桿模型，對(duì)煤壁破壞機(jī)制進(jìn)行了分析。

2）提出采用臺(tái)階采煤法解決煤壁片幫及由煤壁片幫引起的端面冒漏問(wèn)題。

3）臺(tái)階煤壁采煤方法期待進(jìn)一步工程驗(yàn)證。

［1］ 楊永康.特厚煤層大采高綜放采場(chǎng)覆巖移動(dòng)規(guī)律及圍巖控制研究 ［D］.太原理工大學(xué)，2012.

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

［3］ 袁永.大采高綜采采場(chǎng)支架－圍巖穩(wěn)定控制機(jī)理研究［D］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2011.

［4］ 寧宇.大采高綜采煤壁片幫冒頂機(jī)理與控制技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2009，34（1）：50-52.

［5］ 富強(qiáng)，閆少宏，吳健.綜放開(kāi)采松軟頂煤落放規(guī)律的理論研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21（4）：568-572.