煤體強(qiáng)度對煤壁穩(wěn)定性的影響研究

李海濤

(煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

近年來，大采高開采技術(shù)在厚煤層開采中得到廣泛應(yīng)用，但是隨著一次采出厚度及工作面長度的增加，煤壁受到上覆巖層的壓力及作用時(shí)間也會相應(yīng)增加，造成工作面煤壁穩(wěn)定性降低，引發(fā)片幫、冒頂?shù)仁鹿剩瑯O大地制約礦井正常生產(chǎn)、威脅人身安全[1]。因此，眾多學(xué)者對影響工作面煤壁穩(wěn)定性的因素開展了大量的研究。

楊培舉等[2]利用數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)及滑移線理論分析了煤層采動裂隙的發(fā)展演化規(guī)律及煤壁失穩(wěn)過程；袁永等[3]通過實(shí)測“三軟”煤層大采高工作面的煤壁穩(wěn)定性，建立了“楔形”滑動模型，并通過相關(guān)措施提高了煤壁穩(wěn)定性；吳浩等[4]采用壓桿理論對煤壁的撓度特征進(jìn)行分析，并提出了梯形滑塊模型，得到了煤壁最小互幫力；宋高峰等[5]基于利茲法對煤壁破壞機(jī)理進(jìn)行分析，并通過相似模擬研究了“頂板-支架-煤壁”系統(tǒng)的協(xié)調(diào)變形規(guī)律；孔德中等[6，7]構(gòu)建了“頂板-煤壁-支架”系統(tǒng)力學(xué)模型，對影響煤壁失穩(wěn)的原因進(jìn)行了總結(jié)；許傳峰等[8，9]通過數(shù)值模擬得到了在保持煤壁穩(wěn)定性條件下的最大采高；張江利等[10-12]通過對煤壁片幫情況統(tǒng)計(jì)分析，對工作面采取合理的注漿時(shí)期，注漿壓力等措施，煤壁片幫情況得到有效控制。

總結(jié)關(guān)于大采高工作面煤壁穩(wěn)定性的影響因素及控制方法[13-15]，大多研究主要通過外部影響因素(采高、支護(hù)強(qiáng)度、工作面推進(jìn)速度等)對煤壁穩(wěn)定性進(jìn)行控制，系統(tǒng)分析煤體強(qiáng)度對煤壁穩(wěn)定性的影響規(guī)律及其控制方法的研究相對較少。工作面煤壁穩(wěn)定性由開采條件及地質(zhì)條件等多因素決定，通過增大支架初撐力和支架工作阻力、降低采高等方法在一定范圍內(nèi)能較好控制煤壁破壞，但當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件比較特殊時(shí)，其效果不顯著。基于以上論述，系統(tǒng)探究煤體強(qiáng)度對工作面煤壁穩(wěn)定性的影響規(guī)律，通過提高煤體自身強(qiáng)度增強(qiáng)工作面煤壁穩(wěn)定性對煤壁控制研究具有重要意義。本文采用理論分析、數(shù)值模擬、相似模擬實(shí)驗(yàn)對煤體強(qiáng)度與煤壁穩(wěn)定性關(guān)系進(jìn)行研究，以期為實(shí)際工程中煤壁穩(wěn)定性控制提供參考。

1大采高煤壁片幫機(jī)理分析

大采高工作面前方煤體所處的應(yīng)力環(huán)境十分復(fù)雜，但總體在重力和壓力的條件下，主要表現(xiàn)為兩種破壞形式：拉裂破壞與剪切破壞[16，17]。在煤體硬度大且脆性大的工作面煤壁中，由于煤壁自身的彈性變形量較小，在自重力及上覆巖層壓力的雙重影響下，產(chǎn)生了朝兩邊拉扯的橫向拉應(yīng)力，當(dāng)其超過煤體的最大抗拉強(qiáng)度時(shí)，橫向拉應(yīng)力不能通過煤壁自身的變形釋放或緩解，煤壁產(chǎn)生拉裂破壞。此時(shí)，煤體的橫向拉應(yīng)力Rx大于煤體的抗拉強(qiáng)度R。

煤壁剪切破壞受力如圖1所示。將工作面煤壁簡化為一個(gè)平面，煤壁所受壓力簡化為均布力Q，在煤體硬度相對較軟的工作面煤壁中，在自身重力及頂板壓力的作用下，煤壁內(nèi)同樣會產(chǎn)生橫向的拉應(yīng)力，但由于煤體自身硬度較軟，能通過自身的變形將橫向拉應(yīng)力釋放或緩解，最終因煤壁內(nèi)剪切力大于抗剪強(qiáng)度而發(fā)生剪切破壞。由于煤壁受到上覆巖層壓力遠(yuǎn)大于自身重力，因此忽略煤壁自重，當(dāng)煤體達(dá)到極限應(yīng)力時(shí)，沿斜面ab滑動，由莫爾-庫倫準(zhǔn)則可得，當(dāng)煤體達(dá)到極限應(yīng)力時(shí)，即：

max{|τ|-(οntanφ+c)}=0

(1)

圖1 煤壁剪切破壞受力圖

當(dāng)煤體滑動時(shí)，滑移面ab與σ1所成夾角為：

此時(shí)，當(dāng)σ滿足式(3)時(shí)，煤壁發(fā)生剪切破壞[18]。

式中，σ1為煤體在達(dá)到極限應(yīng)力時(shí)垂直方向所受的正應(yīng)力，MPa；σ為煤體實(shí)際所受壓應(yīng)力，MPa；c為煤體內(nèi)聚力，MPa；φ為煤體內(nèi)摩擦角，(°)。

通過對王莊礦8101工作面煤體進(jìn)行測試，由摩爾強(qiáng)度曲線的定義可得煤樣試件的內(nèi)聚力為1.1MPa，內(nèi)摩擦角28°。對該工作面的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行取值，對式(3)進(jìn)行分析，可得到煤體達(dá)到極限應(yīng)力時(shí)垂直方向所受的正應(yīng)力隨煤體強(qiáng)度變化的曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 極限應(yīng)力時(shí)垂直方向正應(yīng)力與內(nèi)摩擦角關(guān)系

圖3 極限應(yīng)力時(shí)垂直方向正應(yīng)力與內(nèi)聚力關(guān)系

達(dá)到極限應(yīng)力時(shí)垂直方向的正應(yīng)力與內(nèi)摩擦角成正比關(guān)系，煤壁破壞時(shí)垂直方向的極限強(qiáng)度隨著煤體的內(nèi)摩擦角增大而增大，通過對曲線進(jìn)行擬合分析，得該曲線斜率為0.0206；達(dá)到極限應(yīng)力時(shí)垂直方向的正應(yīng)力與內(nèi)聚力成正比關(guān)系，煤壁達(dá)到破壞時(shí)垂直方向的極限強(qiáng)度隨著煤體內(nèi)聚力增大而增大，通過對曲線進(jìn)行擬合分析，得該曲線斜率為0.6114。

綜上所述，工作面煤壁無論發(fā)生拉裂破壞還是剪切破壞時(shí)，都與煤壁自身強(qiáng)度和所受的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力有關(guān)。其中，內(nèi)摩擦角對煤體強(qiáng)度的影響相對較小，內(nèi)聚力越小，煤壁越容易發(fā)生剪切破壞。因此改變煤壁所受的應(yīng)力狀態(tài)和提高自身強(qiáng)度，是提高煤壁穩(wěn)定性的重要途徑。

2 不同強(qiáng)度工作面煤壁破壞數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型

為了得到不同煤體強(qiáng)度下大采高工作面煤壁的破壞情況，以王莊礦8101工作面為工程背景，采用UDEC2D數(shù)值模擬軟件對不同煤體強(qiáng)度下煤壁的塑性破壞區(qū)分布特征進(jìn)行分析。對模型上邊界施加11.3MPa的原巖應(yīng)力，左、右和下邊界施加速度約束，數(shù)值計(jì)算模型如圖4所示。計(jì)算所用的塊體和節(jié)理物理、力學(xué)參數(shù)見表1、表2。

圖4 數(shù)值模型圖

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

2.2 不同粘聚力下煤壁破壞情況

當(dāng)工作面推進(jìn)35m時(shí)，不同煤體粘聚力(c=0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa、2.0MPa)下煤壁破壞特征如圖5所示。

表2 節(jié)理力學(xué)參數(shù)

圖5 不同粘聚力下煤壁破壞特征

由圖5可知：在煤體粘聚力不斷增大的過程中，其煤壁穩(wěn)定性越好，煤壁破壞程度越小。當(dāng)c=0.5MPa時(shí)，煤壁發(fā)生明顯破壞其上方的頂板也都出現(xiàn)了垮落現(xiàn)象，最大破壞影響深度為1.95m；當(dāng)c=1.0MPa時(shí)，煤壁發(fā)生剪切破壞，片落高度范圍2.98～3.45m，最大破壞影響深度1.58m；當(dāng)c=1.5MPa時(shí)，煤壁出現(xiàn)拉裂破壞，此時(shí)煤壁破壞主要發(fā)生在煤壁的上半部分，下部1m左右范圍內(nèi)的煤壁幾乎未發(fā)生破壞，最大破壞深度深為0.95m；當(dāng)c=2.0MPa時(shí)，煤壁表現(xiàn)出極強(qiáng)的穩(wěn)定性，沒有片幫。

2.3 不同內(nèi)摩擦角下煤壁破壞情況

當(dāng)老頂發(fā)生初次來壓時(shí)，不同煤體內(nèi)摩擦角(20°、25°、30°、35°)下煤壁破壞特征如圖6所示。

圖6 不同內(nèi)摩擦角下煤壁破壞特征

由圖6可知：當(dāng)煤體內(nèi)摩擦角變大時(shí)，煤壁破壞程度有所減小，但其減小的效果不顯著。當(dāng)內(nèi)摩擦角φ=20°時(shí)，煤壁表現(xiàn)出剪切破壞，其片落范圍為2.98～3.45m，最大破壞深度深為1.82m，破壞面積5.68m2；φ=25°時(shí)，破壞主要發(fā)生在煤壁的上半部分，距底板1m范圍內(nèi)的煤壁破壞不明顯，破壞深度為0.38～1.31m，破壞面積為4.47m2；當(dāng)φ=30°時(shí)，情況與φ=25°時(shí)基本類似破壞都主要發(fā)生在煤壁上半部分，破壞深度為0.33～1.26m，破壞面積為4.20m2；當(dāng)內(nèi)摩擦角φ=35°時(shí)，煤壁破壞情況基本未發(fā)生改變，破壞深度為0.35～1.26m，破壞面積為3.95m2。

綜上所述，當(dāng)內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角逐漸增大，即煤體強(qiáng)度增大時(shí)，煤壁片落高度和片深逐漸減小，破壞面積逐漸減小，煤壁穩(wěn)定性增強(qiáng)。

3 不同煤體強(qiáng)度下煤壁穩(wěn)定性相似模擬分析

為了直觀獲得煤體強(qiáng)度與煤壁穩(wěn)定性之間的關(guān)系，參照王莊礦8101工作面煤壁力學(xué)參數(shù)配置煤壁，幾何相似比為1∶10，利用自主研發(fā)的相似模擬實(shí)驗(yàn)臺對不同煤體強(qiáng)度下煤壁受力失穩(wěn)破壞情況進(jìn)行模擬，該實(shí)驗(yàn)臺能對支架工作阻力及煤壁水平位移實(shí)施精準(zhǔn)監(jiān)測。分別對不同粘聚力煤樣(1.0MPa、1.5MPa、2.0MPa)施加豎直向下的壓力，分析在不同粘聚力和不同壓力時(shí)的煤壁變形和破壞情況，結(jié)果如圖7—圖9所示。

圖7 c=1.0MPa時(shí)煤壁失穩(wěn)情況

由圖7可知，當(dāng)c=1.0MPa，煤壁所受壓力為0.82MPa時(shí)，支架左側(cè)煤壁上部出現(xiàn)一條長約199mm傾斜裂縫；當(dāng)煤壁上方壓力達(dá)到1.65MPa時(shí)，此時(shí)新、舊裂隙相互貫通；當(dāng)所受壓力為2.00MPa時(shí)，此時(shí)煤壁向外凸出量達(dá)到最大，煤體出現(xiàn)垮落；在上方壓力變大的過程中，煤壁的破壞范圍在深度和長度方面有明顯增大，當(dāng)煤壁壓力達(dá)到2.40MPa時(shí)，煤壁發(fā)生了較大范圍的破壞。

圖8 粘聚力為1.5時(shí)煤壁失穩(wěn)情況

由圖8可知，當(dāng)c=1.50MPa，煤壁上方的壓力為1.05MPa時(shí)，支架正下方壁中上部出現(xiàn)一條長約218mm的水平裂縫；當(dāng)煤壁壓力為1.70MPa時(shí)，裂縫相互貫通，煤壁向自由面鼓出；當(dāng)煤壁壓力為2.40MPa時(shí)，煤壁中上部出現(xiàn)了局部破壞，當(dāng)煤壁壓力為3.25MPa時(shí)，煤壁中上部破壞深度增加，出現(xiàn)了大范圍的冒落。

圖9 粘聚力為2.0MPa時(shí)煤壁變形破壞情況

由圖9可知，當(dāng)c=2.0MPa，壓力需達(dá)到1.15MPa，距頂板1.0m處煤壁上部才開始產(chǎn)生一條水平裂縫1；當(dāng)煤壁壓力為2.33MPa時(shí)，裂縫2、3裂隙相互貫通，煤壁向自由面凸出；當(dāng)煤壁壓力為3.24MPa時(shí)，煤壁出現(xiàn)局部破壞；當(dāng)煤壁壓力增加到4.05MPa時(shí)，破壞的煤體出現(xiàn)了層狀的大范圍破壞。

綜上所述，當(dāng)煤體粘聚力為1.0MPa時(shí)，煤壁破壞的臨界值為2.40MPa，煤壁破壞高度、深度分別為2.9m、1.2m；當(dāng)煤體內(nèi)聚力為1.5MPa、2.0MPa時(shí)，煤壁破壞時(shí)壓力分別為3.25MPa、4.05MPa，煤壁破壞高度分別為1.6m、1.2m，破壞深度分別為0.9m、0.5m。隨著煤體粘聚力的變大，煤壁穩(wěn)定性將會有明顯改善，使煤壁發(fā)生破壞的壓力也會隨之變大，煤壁破壞的深度、高度都相應(yīng)變小。

5 結(jié) 論

1)基于莫爾-庫倫準(zhǔn)則，對工作面煤壁破壞形式和受力特征進(jìn)行分析，工作面煤壁無論發(fā)生拉裂破壞還是剪切破壞，都與煤壁自身強(qiáng)度和所受的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力有關(guān)。其中，內(nèi)聚力越小，煤壁越容易發(fā)生剪切破壞，內(nèi)摩擦角對煤體強(qiáng)度的影響相對較小。

2)采用UDEC數(shù)值軟件模擬不同煤體強(qiáng)度下的塑性破壞區(qū)分布特征，得到煤壁穩(wěn)定性均隨著煤體的內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角的增大而增大，內(nèi)聚力的增大對煤壁穩(wěn)定性的增強(qiáng)效果較為明顯，內(nèi)摩擦角的變化對煤壁穩(wěn)定性的影響相對較小，與理論分析得出的結(jié)論一致。

3)采用相似模擬實(shí)驗(yàn)得到不同的煤體強(qiáng)度與煤壁穩(wěn)定性之間的關(guān)系，隨著煤體強(qiáng)度逐漸增大，使煤壁發(fā)生破壞的臨界壓力也相應(yīng)增加，煤壁破壞的深度、高度都相應(yīng)減少；隨著內(nèi)聚力增加了1MPa，煤壁發(fā)生破壞的臨界壓力增加了1.64MPa，破壞高度減小了1.7m，破壞深度減少了0.7m。