仰斜煤層煤壁片幫機(jī)理分析

杜 勇，谷文偉

(1.淮北礦業(yè)股份有限公司 袁店一井煤礦，安徽 淮北 235000；2.安徽理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

傾斜煤層開采過(guò)程中，時(shí)常出現(xiàn)頂板大面積垮落和煤壁片幫等現(xiàn)象，嚴(yán)重制約著煤礦的安全生產(chǎn)[1]，因此，掌握傾斜煤層覆巖運(yùn)移規(guī)律和煤壁片幫機(jī)理迫在眉睫。對(duì)于解決這部分問(wèn)題，很多專家學(xué)者進(jìn)行了深入研究。伍永平等[2]通過(guò)建立煤壁空間受力模型對(duì)煤壁片幫機(jī)理及“支架-圍巖”系統(tǒng)進(jìn)行研究，并基于工作面的實(shí)際生產(chǎn)提出了大傾角軟煤綜放工作面煤壁片幫防控措施。李建國(guó)等[3]以河灘溝煤礦放頂煤工作面為對(duì)象，運(yùn)用力學(xué)分析方法，提出俯斜、仰斜開采影響煤壁片幫的力學(xué)機(jī)理，得出工作面不同推進(jìn)方向引起的頂板支承壓力相對(duì)煤壁自由面的位置不同，會(huì)造成工作面煤壁出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。楊勝利等[4]通過(guò)低摩擦實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算，分析了傾斜長(zhǎng)壁工作面，將煤壁分為三種破壞模式，并通過(guò)偽俯斜布置來(lái)提高煤壁和頂?shù)装宓姆€(wěn)定性。羅生虎等[5]針對(duì)2130煤礦25221工作面出現(xiàn)的煤壁受載與失穩(wěn)特征，分析了煤壁片幫在工作面傾斜、垂直方向的形成原因，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況提出治理措施。馬盟等[6]揭示了陽(yáng)煤一礦S8310綜采工作面的煤壁片幫規(guī)律，通過(guò)數(shù)值模擬分析了煤壁片幫和仰采、支護(hù)強(qiáng)度及煤體硬度的關(guān)系，提出采用俯采和提高支護(hù)強(qiáng)度等措施可以有效控制煤壁片幫現(xiàn)象。

本文在已有研究基礎(chǔ)上，基于淮北袁店一井煤礦1035工作面的具體工程情況，建立煤壁受力模型，采用FLAC3D數(shù)值模擬對(duì)緩斜煤層開采過(guò)程中頂板的運(yùn)移特征、采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布和煤壁片幫現(xiàn)象進(jìn)行深入的研究，為不同傾角煤層開采提供相應(yīng)的技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

袁店一井煤礦1035工作面煤層賦存穩(wěn)定，煤厚2.2～4.4 m，平均厚3.45 m，向斜軸以里煤層傾角12～26°，平均19°；向斜軸以外煤層傾角12～27°，平均23°，本文主要研究向斜軸以外的煤層，為仰采段。老頂為細(xì)砂巖，厚3.7～11.1 m，平均5.9 m。直接頂為泥巖，厚2.5～11.9 m，平均6.3 m，致密塊狀，局部含較多砂質(zhì)，巖性較脆。偽頂為泥巖，厚0～0.3 m，位于煤層頂部，性軟，不穩(wěn)定。直接底為泥巖，厚4.3 m，巖性軟，含較多炭質(zhì)及植物化石碎片。老底為砂巖，厚13.2 m，巖性較硬。

2 傾斜工作面煤壁受力分析

取袁店一井煤礦1035工作面煤壁側(cè)研究，受覆巖應(yīng)力和采動(dòng)影響，在煤壁側(cè)和頂板處產(chǎn)生較大的分布力，煤壁具體受力模型如圖1所示。

圖1 煤壁側(cè)受力情況

袁店一井煤礦1035工作面頂板結(jié)構(gòu)完整，破壞主要發(fā)生在煤壁側(cè)，為簡(jiǎn)化煤壁側(cè)受力模型，忽略煤壁與頂?shù)装逯g的摩擦力，建立如圖2所示的煤壁側(cè)沿垂直頂?shù)装宸较虻膹椥粤毫W(xué)模型。

圖2 煤壁側(cè)簡(jiǎn)化受力模型

根據(jù)圖2所示的受力模型，取距O點(diǎn)為x的任一截面，其彎矩方程為：

(1)

由彎矩方程可得傾斜煤壁的撓曲線近似微分方程為：

(2)

(3)

+C1x+C2

(4)

式中:ω為撓度；F為垂直工作面的分布力，N；fAZ為支架沿Z方向?qū)γ罕诘闹С蟹戳Γ琋；q為煤層內(nèi)力，N；H為工作面采高，m；α為工作面傾角，°；E為彈性模量，N/m2；I為慣性距，m；C1、C2為積分常數(shù)。

煤壁的邊界條件：在x=0處，ω=0，則C1=0;在x=0處，ω'=0，則C2=0。

將確定的積分常數(shù)帶入公式(3)、公式(4)，即得梁的轉(zhuǎn)角方程和撓曲線方程分別為：

(5)

(6)

假設(shè)x取H/2時(shí)，上式可改寫成：

(7)

袁店一井煤礦1035工作面向斜軸以外傾角為12～27°，呈遞增狀態(tài)，由公式(7)可知，當(dāng)上部應(yīng)力保持一定時(shí)，撓度隨傾角的增大而增大，當(dāng)傾角一定時(shí)，應(yīng)力對(duì)撓度有直接影響，即ω∝F、ω∝α。

3 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

基于袁店一井煤礦1035工作面的地質(zhì)情況，在巖石力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維模型，模擬傾斜煤層仰采階段的片幫情況，具體模型如圖3所示。模型尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=260 m×210 m×145 m，即對(duì)145 m厚的圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，模擬煤層的下限標(biāo)高為-327 m、上限標(biāo)高為-273.5 m,模型的下限標(biāo)高為-349.5 m，上限標(biāo)高為-204.5 m，共計(jì)10層不同巖性的巖層，可以準(zhǔn)確地反映出圍巖結(jié)構(gòu)的層狀巖性。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

監(jiān)測(cè)垂直應(yīng)力數(shù)據(jù),如圖4所示。

圖4 工作面不同推進(jìn)距離垂直應(yīng)力

由圖4可知：開挖5 m時(shí)，應(yīng)力集中范圍較小，超前支承壓力在工作面前方2.3 m達(dá)到峰值，約9.1 MPa，影響范圍為6.7 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.11。工作面推進(jìn)30 m時(shí)，應(yīng)力集中范圍變大，超前支承壓力在工作面前方8.1 m達(dá)到峰值，影響范圍將近40 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.54。當(dāng)工作面推進(jìn)40 m時(shí)，應(yīng)力峰值及其影響范圍變化較小。開挖50～60 m，超前支承壓力繼續(xù)向煤壁深處轉(zhuǎn)移，應(yīng)力峰值由12.2 MPa增加到14.1 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)變化范圍為1.49～1.92，影響范圍為60～90 m。

當(dāng)工作面回采一定距離后，采空區(qū)后方由于自重應(yīng)力的影響被重新壓實(shí)，支承壓力峰值增大趨勢(shì)逐步變緩，具體分布云圖如圖5所示。這說(shuō)明工作面一次見方時(shí)期，壓力顯現(xiàn)相對(duì)較為明顯，建議工作面回采時(shí)加強(qiáng)一次見方期間及其后期的頂板管理等安全生產(chǎn)工作。

圖5 工作面垂直應(yīng)力分布云圖

為了更加直觀的分析袁店一井煤礦1035工作面傾斜煤層開采后的煤壁失穩(wěn)情況，取工作面在5°、15°和25°情況下的煤壁片幫情況，可得到煤壁位移云圖，如圖6所示。由圖6可知，采高固定在4 m，當(dāng)煤層傾角從5°增加到15°，煤壁水平位移分布情況變化較小，從15.71 cm增加至18.22 cm，增大了16%；而當(dāng)煤層傾角從15°增加到25°時(shí)，最大水平位移由18.15 cm增加到22.43 cm左右，增大了23.6%，最大水平位移增大了42.8%，可得煤層片幫破壞的傾角臨界值為15°，當(dāng)傾角大于15°時(shí)，工作面煤壁水平變形也會(huì)顯著增加。

工作面開采后，在靠近煤壁附近出現(xiàn)大量的拉伸破壞區(qū)，降低了煤體的整體性及承載能力。隨著傾角的增大，煤壁片幫現(xiàn)象也更加劇烈，開挖5°煤層時(shí)，工作面煤壁片幫現(xiàn)象不明顯，煤壁保存較為完整。開挖15°和25°煤層時(shí)，煤壁出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，并伴隨掉渣等情況，特別是在初次來(lái)壓之前，煤壁破壞十分明顯，這是由于傾角增大，導(dǎo)致煤壁內(nèi)支承壓力增大，從而使片幫情況加重。

此外，由圖7塑性區(qū)發(fā)育情況可以看出，隨著煤層傾角的增加，工作面煤壁前方塑性區(qū)逐漸增加，從煤層傾角5°時(shí)的4.8 m增加到煤層傾角25°時(shí)的17.4 m，在模擬煤層傾角的范圍內(nèi)，塑性區(qū)增長(zhǎng)速度隨著煤層傾角的增加逐漸增大。同時(shí)，隨著煤層傾角的增加，頂?shù)装逅苄詤^(qū)受到的拉剪破壞范圍增大。頂板塑性區(qū)面積逐漸增加，同時(shí)向工作面右上方偏移，底板塑性區(qū)則逐漸向工作面下部擴(kuò)展，即工作面塑性區(qū)主要向工作面前方集中，塑性區(qū)逐漸向更高更深的巖體內(nèi)部發(fā)展。綜上，隨著工作面煤層傾角的增加，工作面前方塑性區(qū)范圍越大，這就導(dǎo)致工作面越易發(fā)生片幫漏頂事故。

由于煤層傾角較大，工作面開采后，上端頭煤壁向一側(cè)傾斜，加上煤層整體性及承載能力下降，上端頭煤壁發(fā)生片幫。下端頭煤壁由于內(nèi)側(cè)煤層的支撐，無(wú)明顯的片幫現(xiàn)象。加之，工作面寬度為120 m左右，兩幫煤壁起到支撐作用，覆巖下沉量從中部向兩側(cè)逐漸減小。因此，工作面開采過(guò)程中應(yīng)注意靠近工作面上半部分煤壁片幫的管理，防止煤壁片幫事故的發(fā)生。

圖7 不同傾角煤層煤壁塑性區(qū)

4 片幫防控措施

結(jié)合上述特征，基于袁店一井煤礦1035傾斜工作面的實(shí)際生產(chǎn)情況，提出以下片幫防控措施：

1) 注漿加固。采用注漿加固，保持頂板的穩(wěn)定程度，從而提高煤層開挖的連續(xù)性，減少上覆巖層運(yùn)移破壞所造成的片幫現(xiàn)象，保證工作面的連續(xù)推進(jìn)。

2) 增大主動(dòng)支護(hù)。隨著工作面開挖深度的加大，上覆巖層的破壞情況更加嚴(yán)重，提高液壓支架的初撐力，調(diào)整液壓支架的位置，使支架頂梁可以頂住煤壁，減少上覆巖層的下沉。

3) 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)工作面煤壁進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)，以便快速掌握工作面壓力顯現(xiàn)規(guī)律，對(duì)于片幫情況能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)，防止片幫情況的發(fā)生。

1035工作面通過(guò)采用以上技術(shù)措施，有效控制了煤壁片幫情況的發(fā)生，使袁店一井煤礦成功實(shí)現(xiàn)煤礦的安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，確定仰采工作面上覆巖層的破壞滑移特征，得出工作面開采受傾角的影響，傾角越大，煤壁片幫情況越明顯，來(lái)壓越劇烈，上覆巖層的破壞范圍變大，采空區(qū)后方頂板破斷更加劇烈。

2) 相同開采厚度條件下，煤壁片幫的臨界為15°，隨著回采的不斷進(jìn)行，煤層傾角逐漸變大，仰采角度變大，煤壁水平位移逐漸增加，即片幫情況加重。超前支承壓力的峰值大小逐漸增加，峰值位置離煤壁越來(lái)越近，超前支承壓力的影響范圍也逐漸減小。

3) 工作面中上部頂板的破壞高度大于工作面下部頂板的破壞高度，而工作面中上部底板的破壞深度小于工作下部的底板破壞深度。因此仰采工作面開采時(shí)，工作面中上部頂板活動(dòng)程度大，這也導(dǎo)致工作面中上方的液壓支架支撐難度加大，此時(shí)須提高液壓支架的初撐力，保證支撐到位。由于工作面傾角過(guò)大，必須控制液壓支架的位態(tài)，以防止支架傾倒。