大采高煤壁片幫機理的分形描述

周連峰

（中國大唐集團煤業(yè)有限責任公司，北京市西城區(qū)，100052）

大采高煤壁片幫機理的分形描述

周連峰

（中國大唐集團煤業(yè)有限責任公司，北京市西城區(qū)，100052）

為有效防治大采高工作面煤壁片幫，對劉園子煤礦大采高工作面煤壁片幫事故進行統(tǒng)計，認為煤壁片幫在周期來壓前、來壓期間發(fā)生概率較大；通過現(xiàn)場獲取煤樣進行CT圖像掃描，運用分形理論對獲取圖像進行分析，結(jié)果表明，距煤壁1 m范圍內(nèi)分形維數(shù)達2.9，煤體充分破碎，是導致煤壁片幫的主要原因；沿豎直方向煤壁中上部煤體分維數(shù)達2.6，應采用錨桿結(jié)合護幫板的方式進行防治。

大采高 煤壁片幫 片幫機理 分形維數(shù)

大采高煤壁片幫一直是大采高開采的一大技術難題。目前，對大采高煤壁片幫機理的解釋主要采用壓桿理論、滑移線場理論等，主要試圖對煤壁片幫位置進行預測，進而采取積極應對措施。然而，煤體在發(fā)生煤壁片幫之前其內(nèi)部早已產(chǎn)生大量裂隙，裂隙持續(xù)發(fā)育導致了煤體最終破壞乃至失穩(wěn)。因此，對煤體的裂隙發(fā)育過程及裂隙分布進行研究，分析煤壁片幫的原因，提出對應防治措施。

1　工程概況

劉園子礦主采5-1號煤層，煤層賦存穩(wěn)定，平均煤厚6.32 m，平均傾角5.5°，煤層賦存深度365～483 m，煤層堅固性系數(shù)為0.98～1.8，煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。11050工作面長度為180 m，采用一次采全高綜合機械化采煤工藝，工作面設計采高為4.5～6.5 m，工作面中部采用82架ZY18000/30/65D型掩護式液壓支架進行支護。

2　礦壓顯現(xiàn)與煤壁片幫分析

安裝KJ216頂板動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對工作面頂板進行實時監(jiān)測，在1#、5#、35#、40#、50#、55#、85#、90#支架布置8個測點，對11050工作面來壓步距進行統(tǒng)計分析，同時根據(jù)對工作面煤壁片幫現(xiàn)象的記錄，發(fā)現(xiàn)煤壁片幫事故在工作面來壓前和來壓期間發(fā)生最多，周期來壓之前煤壁片幫事故占總數(shù)的35.7%，來壓期間為33.6%，來壓之后為13.3%，正常推進期間為17.4%。周期來壓期間煤壁片幫次數(shù)統(tǒng)計如表2所示。

表1　5-1號煤層頂?shù)装鍘r性特征

表2　周期來壓期間煤壁片幫次數(shù)統(tǒng)計

煤壁片幫與工作面礦壓現(xiàn)象有重要聯(lián)系，工作面來壓前，由于基本頂懸頂距較大，煤壁承受較大支承壓力，煤體破壞較嚴重，煤壁附近煤體在頂?shù)装鍓毫ψ饔孟卤粩D出導致煤壁片幫；來壓期間，基本頂結(jié)構(gòu)發(fā)生回轉(zhuǎn)，煤壁上端部受頂板回轉(zhuǎn)影響破碎嚴重，容易發(fā)生片幫。因此，有必要對煤壁附近煤體的破壞形態(tài)進行分析，為防治煤壁片幫提供指導。

3　煤壁破壞的分形描述

實驗研究表明，巖石的宏觀破碎是由小裂紋群聚集而形成的，小裂紋群由更微小的裂隙演化生成，小裂隙的演化符合分形特征，煤體破壞后的裂隙分布也具有分形特征。因此，運用分形理論對煤壁附近的煤體破壞進行分析能夠較好地說明煤體的裂隙分布與破壞機理。

根據(jù)Feder量測挪威海岸線長度L與碼尺ε的雙對數(shù)關系，將量測結(jié)果近似表達為:

式中:L——曲線長度；

ε——測量的單位刻度；

L0——與曲線彎曲程度有關的常數(shù)；

D——分形維數(shù)。

式（1）中，若D＞1，則有:

說明L隨ε趨近于零而趨近∞。在一般情況下，ε＜1，則由式（1）可以看出，當D一定時，L隨ε減小而增大；當ε一定時，L越大，則D越大，說明曲線變化越不規(guī)則，對于描述塊體形狀而言，則表明塊體越不規(guī)則，該式主要用于說明具有較好自相似分形結(jié)構(gòu)的物體的表面特征。

對于自然界存在的較多不規(guī)則形狀的物體，如破碎煤壁，一般不符合嚴格的自相似特征，對其特征的描述，目前一般采用盒維法。盒維法計算方法簡單，結(jié)果可靠度高，可采用此方法對煤壁的破壞情況進行描述。盒維法使用正方形方格（δ×δ）覆蓋曲線L，對于給定的尺寸δ，覆蓋曲線L所需的總盒子數(shù)目N是確定的。假設第n步覆蓋曲線使用δn×δn個方格，δn表示第N步時的測量單位，需要的方格數(shù)目為Nnδn（），第n+1步需要的方格數(shù)目為則可以得到:

對式（4）進行推廣得:

對式（5）取對數(shù)，可以得到:

將采用盒維法對任一曲線進行覆蓋時得到的一組（δ，N）數(shù)據(jù)繪成雙對數(shù)曲線，其斜率的絕對值D即為分形維數(shù)，令δ=L，可得:

由式（7）可知，對于一定尺寸L，分形維數(shù)D值越大，N（L）越大，表明材料內(nèi)部離散體數(shù)目越多，說明內(nèi)部裂隙越發(fā)育。對煤壁附近的煤體而言，則可認為其發(fā)生煤壁片幫的可能性越大。

為獲得煤壁片幫區(qū)域煤體破壞情況，在工作面來壓期間取煤樣，共獲取6個有效煤樣供實驗室分析，其中，沿工作面推進方向，在工作面中部距底板3.0 m高度取3個煤樣，如圖1（a）所示；沿工作面煤壁豎直方向，在工作面中部位置煤壁上取3個煤樣，如圖1（b）所示。通過切割機與打磨機將試件加工為邊長為20 cm的正方體塊體，通過CT圖像掃描對煤體內(nèi)部裂隙發(fā)育程度進行分析。CT掃描設備采用先進的GE Lightspeed 64排螺旋CT機，主要分析每個試件的裂隙發(fā)育情況，對其做出定量評價。

圖1　試驗煤樣獲取位置示意圖

利用CT圖像掃描技術對試件進行掃描獲得初始圖像，為更直觀呈現(xiàn)裂隙分布情況，對圖像進行灰度處理，結(jié)果如圖2所示，其中黑色表示宏觀裂隙，白點表示微孔裂隙，統(tǒng)計不同裂隙尺寸的裂隙數(shù)量，進行量化統(tǒng)計，以L=0.5 cm為基數(shù)，0.1 cm為增量，統(tǒng)計10組各條件下的裂隙數(shù)目，采用式（7）對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，并用Origin數(shù)據(jù)分析軟件對數(shù)據(jù)進行處理，為便于分析，對測量的單位刻度進行變換，以log（1/L）為橫坐標，對應的裂隙數(shù)目N（L）取對數(shù)，對獲取的若干組數(shù)據(jù)進行線性擬合，得出結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖2　煤樣CT掃描圖像處理結(jié)果

圖3　沿工作面走向不同區(qū)域煤體分形維數(shù)

由圖3可知，煤壁內(nèi)1 m范圍內(nèi)煤體破壞比較嚴重，在煤壁邊緣分形維數(shù)達2.9，煤壁處于破碎狀態(tài)，由于煤壁自由面的存在，塊狀煤向煤壁方向移動，導致煤壁片幫事故發(fā)生；煤壁內(nèi)距煤壁5 m位置煤體分形維數(shù)約為1.8，煤體內(nèi)部裂隙雖然也有一定程度發(fā)育，但還處于整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)。因此，采取支護措施時應重點關注煤壁內(nèi)1 m的范圍。

根據(jù)煤壁豎直方向不同區(qū)域分形維數(shù)的擬合結(jié)果，可知煤壁下部的煤體破壞程度較小，且下部煤體片幫時對機械設備沖擊作用小，可不采取特殊措施；煤壁中部與上部煤體分維值達2.5以上，煤體破壞比較嚴重，基本呈破碎狀態(tài)，是發(fā)生煤壁片幫的主要區(qū)域。

綜合以上分析結(jié)果，煤壁片幫主要為煤壁內(nèi)1 m范圍內(nèi)的破碎煤體所致，煤壁沿豎直方向中上部煤體比較破碎，工作面開采期間，應采用可切割木錨桿或玻璃鋼錨桿進行臨時支護，同時液壓支架應在割煤后及時打開護幫板對煤壁中上部加強保護。

圖4　沿煤壁豎直方向不同區(qū)域分形維數(shù)

4　結(jié)論

立足大采高綜采工作面煤壁片幫問題，通過現(xiàn)場事故統(tǒng)計分析，并運用分形理論分析了煤樣的裂隙發(fā)育程度，得出以下結(jié)論。

（1）11050大采高工作面煤壁片幫與工作面來壓規(guī)律有直接聯(lián)系，工作面在周期來壓前與來壓期間最易發(fā)生煤壁片幫，應在工作面來壓期間重點對煤壁片幫進行防治。

（2）根據(jù)對現(xiàn)場煤樣的裂隙發(fā)育情況進行分形描述，認為煤壁片幫主要為煤壁內(nèi)1 m范圍內(nèi)破碎煤體所致，煤壁邊緣沿豎直方向中上部煤體比較破碎，可采用可切割錨桿結(jié)合護幫板的方式進行防治。

［1］ 郝海金，吳健，張勇等.大采高開采上位巖層平衡結(jié)構(gòu)及其對采場礦壓顯現(xiàn)的影響 ［J］.煤炭學報，2004（2）

［2］ 閆少宏，尹希文.大采高綜放開采幾個理論問題的研究［J］.煤炭學報，2008（5）

［3］ 吳浩，宋選民.8.5 m大采高綜采工作面煤壁穩(wěn)定性的理論分析［J］.煤炭科學技術，2015（3）

［4］ 黃洋.支架初撐力對綜采軟厚煤層煤壁穩(wěn)定性影響數(shù)值計算研究［J］.中國煤炭，2015（4）

［5］ 石棟，段紅民，楊賢江.大采高綜采面煤壁片幫預防措施［J］.中國煤炭，2008（2）

［6］ 遲克勇.松軟破碎煤層大采高綜采工作面片幫冒頂防治研究［J］.中國煤炭，2011（10）

［7］ 楊建立.大采高綜放工作面煤巖穩(wěn)定性及其控制［J］.中國煤炭，2007（11）

［8］ 謝和平，高峰，周宏偉等.巖石斷裂和破碎的分形研究［J］.防災減災工程學報，2003（4）

（責任編輯 郭東芝）

Fractal description of rib spalling mechanism in working face with large mining height

Zhou Lianfeng
（China Datang Coal Industry Co.，Ltd.，Xicheng，Beijing 100052，China）

For the effective control of rib spalling in working face with large mining height，rib spalling accidents in Liuyuanzi Coal Mine were counted，which showed that the accidents had high probability of occurrence before periodic weighting and during the period of the pressure. Through CT image scanning of coal samples from working face，the images were analyzed by using the fractal theory.The results showed that the fractal dimension of coal within 1 m distance from rib reached 2.9，the coal broken sufficiently was the main reason of rib spalling.Meanwhile，the fractal dimension of coal in the middle-upper part of rib along the vertical direction reached 2.6，so anchor bolts and face guards could be adopted to prevent and control the rip spalling.

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TD323

A

周連峰（1970-），男，黑龍江省齊齊哈爾市人，本科學歷，畢業(yè)于遼寧阜新礦業(yè)學院采礦系露天開采專業(yè)，現(xiàn)任中國大唐集團煤業(yè)有限責任公司生產(chǎn)技術部高管。