采場煤壁失穩機理及控制技術研究

李建勝，楊永康，康天合，張愛絨

（太原理工大學a.采礦工藝研究所；b.學報編輯部，太原030024）

隨著采高的增大，煤壁失穩片幫的機率增加。煤壁片幫直接影響工作面安全生產，是生產管理中的重要指標。煤壁失穩片幫將增大工作面端面距，進而引發端面漏冒，導致頂煤頂板條件惡化，進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、頂梁、后立柱等部件損壞，進而引起支架圍巖關系惡化，進一步導致支架圍巖關系惡化而引起頂板事故和片幫事故，形成惡性循環［1］。弓培林教授［2］根據煤體裂隙分布特點，對煤壁穩定性進行了評價，并采用模糊數學方法對煤壁穩定性進行了分類；袁永博士［3］認為煤壁片幫是一個由微觀裂隙發育到宏觀“楔形”滑動體失穩的過程，并從微觀和宏觀兩個角度分析其穩定性的主要因素；寧宇研究員［4］認為采用二級護幫機構、縮小端面距、提高支架工作阻力、電液控制系統實現擦頂移架、及時移架，將移架速度在8s以內可有效控制煤壁片幫；富強博士［5］認為端面控頂區頂煤冒落主要是由拉應力引起的，并提出從回采工藝和支架結構兩方面解決“三軟”厚煤層工作面頂板控制主要問題。目前，人們都認識到工作面前方支承壓力是煤壁片幫的主要原因，煤層強度、節理裂隙發育程度、構造情況、支架性能等對煤壁片幫有影響，未考慮煤體自身的力學結構特征，對煤壁片幫的規律和機理未能深入的研究，如何定量分析及采取措施尚未解決。

1 工作面煤壁失穩機理分析

大采高綜放采場易于發生煤壁片幫，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，桿件將會發生彎曲變形。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x＝0時，υ＝0；

2）當x＝l時，υ＝0，可得

在相同條件下，煤巖的彈性模量越大，撓度越小；在垂直方向應力越大，水平方向受力越大，邊墻越高，撓度就越大。煤層開采引起煤壁垂直應力峰值向深部轉移，水平應力降低區會逐步擴大和加深，水平應力釋放造成合力q增大。可得如下結論。

1.1 不同煤層潛在破壞機制不盡相同

中硬煤或夾矸彈性模量大，在載荷作用下產生的彎曲變形很小，支承應力峰值大于其強度時將發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。可以認為，二次應力場提供能量轉化為側幫開裂、剝落等脆性破裂，在煤壁中部產生破裂、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、錯動、失穩坍塌，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。可以認為，二次應力場提供能量轉化為位移或局部弱化，在工作面上表現為整體滑移失穩（圖2-b）。

斜溝13號煤為中硬煤，中間有夾矸，層狀煤與矸石受支承應力作用后，破裂面沿層面發展，軟弱煤層屈服范圍反而少。煤體的變形與破壞是不均勻的，變形與受力不協調現象一旦加劇則可能出現大面積的片幫冒頂。

1.2 采用注漿或錨桿支護防治煤壁片幫

采用注漿或錨桿支護防治煤壁片幫的目的是減緩或阻止水平應力的釋放，減緩水平應力向縱深發展。加固煤壁后，能增加煤巖大小結構體移動或滾動的阻力，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，這又與高產高效相矛盾。

圖2 大采高煤壁片幫示意圖

2 采場煤壁控制技術

2.1 現有防治煤壁片幫方法

在現有技術中有四種防治工作面煤壁片幫的方法，但實踐證明現有技術對煤壁的作用存在著局部性、滯后性、被動性、有限性和危險性：

1）采用液壓支架的護幫板維護工作面煤壁和端面的穩定。護幫板僅對煤壁的上部局部范圍有水平推力，作用不到片幫最為嚴重的中部，且巖體暴露時間與護幫板不能同步。

2）在煤壁上安裝可截割的護幫錨桿或煤壁鉆孔注漿固結煤壁。安裝錨桿和注漿加固需要時間長，來不及實現煤體自承載且影響采煤作業。

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

2.2 臺階煤壁采煤法

根據壓桿的受力模型，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，并可實現安全、高效生產的厚煤層大采高工作面臺階煤壁采煤方法（已申請發明專利，申請號：200910073898.4）。如圖3所示，將煤壁分成兩個臺階，臺階煤壁由臺階面、臺階面上煤壁與臺階面下煤壁構成；所述的臺階煤壁在工作面推進過程中，臺階面上煤壁始終超前臺階面下煤壁。此方法有顯著效果：

1）將大高度平直煤壁改變成前后錯開的兩個煤壁，避免超高煤壁長時間停留造成片幫冒頂。臺階面上煤壁承受的頂板應力向下轉移到了臺階面下煤壁的深處，作用在煤壁上應力狀態由煤壁淺部的二向應力狀態轉變為深部三向應力狀態，同時釋放了頂板傳遞給臺階面下煤壁的支承應力q，使臺階面下煤壁為無載荷煤壁，改善了大采高工作面煤壁的穩定性。

圖3 臺階煤壁采煤方法示意圖

2）當發生煤壁片幫和頂板端面冒漏，片幫或冒漏的煤和巖石會掉落在臺階面上，或在臺階面上低位滑落，從而可以確保位于臺階面下煤壁前機道處的人員和設備的安全，實現安全、高效生產，有利于大采高綜放開采技術的推廣應用。

3 結論

1）為定量分析煤壁片幫，建立受力壓桿模型，對煤壁破壞機制進行了分析。

2）提出采用臺階采煤法解決煤壁片幫及由煤壁片幫引起的端面冒漏問題。

3）臺階煤壁采煤方法期待進一步工程驗證。

［1］ 楊永康.特厚煤層大采高綜放采場覆巖移動規律及圍巖控制研究 ［D］.太原理工大學，2012.

［2］ 弓培林.大采高采場圍巖控制理論及應用研究［M］.北京：煤炭工業出版社，2006.

［3］ 袁永.大采高綜采采場支架－圍巖穩定控制機理研究［D］.徐州：中國礦業大學，2011.

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

［5］ 富強，閆少宏，吳健.綜放開采松軟頂煤落放規律的理論研究［J］.巖石力學與工程學報，2002，21（4）：568-572.