水壓致裂煤層煤壁穩定性的研究

賈禮祥

（西山煤電集團公司屯蘭礦，山西 太原030200）

0 引言

煤炭產業在我國經濟發展中占有重要位置，一方面由于煤炭是我國主要能源的來源，另一方面我國的煤炭儲存量豐富，約占世界煤炭存儲量的37%[1-3]。受全球經濟形勢的影響，我國的煤礦企業都在積極的采取措施，增加企業效益，其中增加塊煤率被廣泛認為是一種直接、有效的方法。現有的開采技術中，將提高塊煤率的只要手段集中在對各種采煤設備的優化，設備的升級改造等方面，而煤層本身硬度對塊煤率影響的研究較少。煤層預裂改造作為提高礦井塊煤產出率的有效手段，近年來受到研究人員的重視。通過煤層預裂改造增加工作面煤層中裂隙數量，從而降低煤層硬度，減少煤層對采煤機截齒的損壞，在提高采煤機工作效率的同時增加塊煤出產率。目前，在煤礦中通過煤層預裂改造增加煤層裂隙的方式主要由氣體爆破法，炸藥爆破法和水力預裂法三種方法[4]。其中氣體爆破法，炸藥爆破法由于實施過程中瞬間能量大且不易控制，因此這兩種方法應用受到了很大限制。水力預裂法由于自身具體安全、穩定、潔凈等優勢，被廣泛使用在煤礦企業中用來對煤巖進行破碎[5]，于此同時水壓致裂對煤壁穩定性造成一定影響，需要關注壓裂煤層煤壁片幫的形成和預防。本文通過對水壓致裂煤層煤壁片幫的形成機理和影響因素進行了研究，從而為更好的控制壓裂煤層煤壁穩定性提供指導。

1 水壓致裂煤層失穩機理

工作面煤層經過開采后，煤體原有的受力發生變化，受力平衡狀態遭到破壞，這時超前支承壓力的出現會加劇煤壁周圍應力集中狀態，如果媒體所受應力大小超出其強度極限后就會引起煤壁片幫。

水壓致裂后的綜采工作面，媒體的力學性能發生了變化，由于水壓力作用使得水壓裂隙與煤層原有裂隙之間相互連通，出現區域網絡裂隙，從而降低煤層硬度。煤層硬度降低后煤體間橫向拉應力會明顯降低，此時煤體主要受到自重和頂板壓力的作用，進而發生剪切破壞。剪切破壞是水壓致裂工作面發生煤壁片幫的主要原因。

圖1 頂板力學模型

圖1 所示為在水壓致裂后頂板受力示意圖，考慮到由于煤體重力相對于頂板壓力較小，分析過程中忽略煤體自重影響，q為頂板所受的單向均布載荷，煤體水平受力面積為，S面為煤體的滑移面，α和φ分別為煤體剪切破壞角和內摩擦角，根據摩爾-庫倫破壞準則，煤體剪切破壞必要條件為：

式中：c為煤體內聚力；σ為煤體所受壓應力。

根據（1）式可知，煤體內聚力和內摩擦角大小對煤體所受壓應力起主要作用。另外，在距離頂板0.35倍采高處煤壁片幫發生較為嚴重，因此在該區域應該進行重點支護，及時防治煤壁片幫的發生。

2 煤壁穩定性分析

2.1 煤壁穩定性影響因素

2.1.1 采高

現有的研究表明，采高對煤壁片幫有非常重要的影響，隨著采高的不斷增大，工作面上覆巖層的垮塌高度和范圍也隨著增大，采高與直接頂厚度、巖梁的實際沉降值之間的關系為：

式中：mz為直接頂厚度，m；h為工作面采高，m；KA為巖層的碎脹系數；SA為巖梁的沉降量，m；

可得：

從上式（3）分析可知，隨著工作面采高的增加，直接頂厚度增大，隨著工作面開采的深入，垮落后的頂板高度也增大，這就需要巖體來填充出現的采空區，從而進一步加速了上覆巖層的下沉，煤體失穩后產生煤壁片幫。已有的研究表明，以采高5m為分界點，采高一旦超過5m，隨著采高的繼續增加，片幫深度將急劇增大。

2.1.2 支架支護阻力

液壓支架作為綜采工作面重要設備，其主要用于支撐上覆巖層載荷。當使用過程中，支架的支護阻力較小，不能支撐上覆載荷時，工作面前方煤壁受到的壓力降增大，從而增加的煤壁片幫發生的幾率。下圖所示為頂板的受力分析示意圖，其中PT為支架作用于頂板的支撐力，Pg為矸石對頂板上的力，G為頂板巖層自身重力，對其進行受力分析后可得下式[6]。

圖2 頂板力學模型

式中：G為頂板巖層的重力；pg為矸石作用于頂板上的力；pT為支架對頂板的支撐力；Km為直接頂作用力；S為煤壁層裂寬度；Δh為頂板下沉量；

由（4）式可知，頂板下沉量受支架支護阻力影響較大，在G和pg一定的情況下，液壓支架的作用力pT越大，頂板下沉量Δh就越小，工作面產生煤壁片幫的幾率就越小，因此，適當增加支架工作阻力可以有效的降低煤壁片幫深度。

2.1.3 煤體強度

通過上述對煤壁片幫形成機理的分析，很容易得出超前支撐力的形成是煤壁片幫產生的重要原因。而現有的研究已經表明超前支撐力的大小主要由煤體強度來決定，因此通過分析煤體強度的影響因素就可以間接得出煤壁片幫的影響因素。煤層硬度、煤的變質情況以及煤層內部節理裂隙的發育情況都會對煤體強度產生重要影響[7]。其中煤層硬度的大小直接影響煤體強度大小；煤層變質程度主要是決定煤層中含碳量的大小，含碳量越大煤層就越硬；煤層內部節理裂隙的發育會降低煤體強度，裂隙越嚴重，煤體強度越低。

2.2 片幫深度計算

工作面前方煤壁出現部分塑性破壞，還具有一定的承載能力，此時如果超前支承壓力繼續增大，就會發生剪切破壞，當煤壁的完整性隨著超前支撐壓力的增大遭到破壞后，煤壁片幫的深度達到最大值，煤壁以自然安息狀態存在，煤體的內摩擦角φ與安息角α相等，煤壁片幫的最大深度為：

式中：l為煤壁片幫最大深度，單位m；Hp為工作面片幫的深度，單位m；α為片幫安息角；φ為煤體的內摩擦角。

3 數值模擬計算

通過對水壓致裂原理的分析可知，水壓致裂后會產生新的水壓裂隙，并且會隨著外力作用會在煤層中不斷擴展延伸，最終改變煤體力學性質，使得煤體強度降低，內摩擦角和黏聚力減小。為此，重點分析水壓致裂后，煤體強度、內摩擦角、黏聚力以及支架支護強度對煤壁片幫的影響。FLAC3D軟件作為一種數值分析軟件，能夠模擬巖體在應力作用下發生的力學變化，也可以模擬地下硐室的開挖、填筑等，對模擬塑性破壞和塑性流動方面具有較大優勢，因此本文應用該軟件對不同情形下煤壁的破壞規律進行模擬分析，并且將模擬結果進行統計分析。

圖3 煤壁塑性區圖

圖4 煤壁片幫深度與煤體硬度之間關系

為了研究不同煤層硬度對煤壁穩定性的影響，仿真過程中設置不同的彈性模量值，防真結果如圖3所示，從圖可以看出，在煤體彈性模量逐漸增大的過程中，煤壁塑性區域的面積也不斷變大，特別是彈性模量由2×108Pa增加到6×108Pa的過程中，煤塑性區域面積隨著彈性模量的增大而急劇變大，但是當彈性模量增加到6×108Pa值以后，煤壁塑性區域變化較為緩慢。從圖4可以看出，當彈性模量為固定值時，片幫深度與煤壁深度之間近似為二項式關系；不同的煤層硬度對煤壁片幫深度影響較大，隨著煤層彈性模量的增大，煤壁片幫深度逐漸減少，當彈性模量值大于10×108Pa后，片幫深度受彈性模量的影響明顯減小，并且在0.4倍采高處最先發生片幫現象。

圖5 煤壁塑性區圖

圖6 煤壁片幫深度與煤體黏聚力之間關系

在其它仿真參數不變的情況下，針對不同的黏聚力值分析煤壁塑性區結果如圖5所示，從圖可以看出，煤體黏聚力增大時，煤壁塑性區域面積明顯減小。黏聚力在1×106Pa～2.5×106Pa范圍時，隨著黏聚力的增大，煤壁塑性區域急劇減小。在黏聚力增大到一定值后，煤壁塑性區域面積受黏聚力的影響明顯降低。圖6所示為煤壁片幫深度與煤體黏聚力之間關系，可以明顯看出煤體黏聚力越大，煤壁片幫深度就越小，但是當煤層黏聚力大于4×106Pa后，片幫深度受黏聚力影響明顯降低，繼續增大后，煤層發生片幫的概率很小。

圖7 煤壁塑性區圖

圖8 煤壁片幫深度與煤體內摩擦角之間關系

在仿真過程中，其他參數不變的情況下，通過改變內摩擦角的大小來研究不同內摩擦角對煤壁穩定性的影響。如圖7所示，不同內摩擦角對應的煤壁塑性區圖，從圖可以看出，在內摩擦角不斷增大的過程中，煤壁塑性區域面積不斷減小。圖8所示為不同內摩擦角對應的煤壁片幫變化情況，從圖可以看出，內摩擦角在20°～38°的范圍變化時，煤壁片幫深度隨內摩擦角增大而急劇減小，但是當內摩擦角繼續增大后，其對煤壁片幫的影響逐漸變小。

圖9 支護強度與頂板下沉量之間關系

為了研究煤體壓裂前后煤壁穩定性變化情況，對煤體壓裂前后工作面支架支護強度與頂板下沉量之間關系進行重點分析，如圖9所示。其中s為到煤壁的距離，從圖9（a）可以看出，在支架支護強度一定時，越靠近煤壁處頂板下沉量越小，當s=1時，支架支護強度為4MPa時，頂板下沉量最小約為2cm左右；當s=5，支架支護強度為0MPa時，頂板下沉量最大約為7.4cm左右；通過觀察各曲線的變化趨勢，明顯發現在支架支護強度為1MPa處出現一拐點，即在支架支護強度小于拐點時，頂板下沉量隨支護強度增大急劇減小，大于拐點時，變化趨勢明顯變緩慢。通過分析可以預測壓裂前工作面的合理支護阻力在1MPa左右。從圖9（b）可以看出，煤體壓裂后，當s=1時，支架支護強度為4MPa時，頂板下沉量最小約為3.7cm左右；當s=5，支架支護強度為0MPa時，頂板下沉量最大約為9.1cm左右；并且與壓裂前相比較，拐點的出現明顯后移，在支護強度大于1.5MPa后，頂板下沉量變化較為緩慢，說明煤體壓裂后該工作面合理的支護阻力增大，另外，煤體壓裂后超前支承壓力峰值位置沒有明顯改變，但峰值的大小會明顯減小。

4 結 論

本文通過對水壓致裂煤層煤壁片幫產生機理及主要影響因素進行分析，并通過數值計算軟件FLAC3D對其進行數值模擬計算，計算結果表明，隨著煤體彈性模量的增大，煤壁塑性區域面積不斷增大，當彈性模量增加到一定值后，煤壁塑性區域幾乎不變；煤體間黏聚力和內摩擦角越大，煤壁的塑性區域面積越小，同時當黏聚力和內摩擦角增大到一定值后，塑性區域面積減小速率明顯變緩；煤體壓裂前后支架支護強度與頂板下沉量關系對比發現，煤體發生壓裂后，頂板位移量和支架支護阻力明顯增大。數值計算結果與理論分析結果相符，充分說明了模型建立的可行性，為水壓致裂煤層煤壁片幫的預防和治理提供指導。