仰采角度對煤壁片幫的影響研究

成辰欣，張 保，呂偉偉，劉金凱，李 騏

（中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京100083）

在仰斜開采工作面的生產(chǎn)過程中，端面穩(wěn)定性成為我們不可回避的問題，其破壞形式以煤壁片幫為主。煤壁片幫會受到仰采角度的影響，且根據(jù)以往經(jīng)驗，隨著仰采角度的增加，煤壁會變的更加難以控制，發(fā)生片幫的機(jī)率會明顯加大。本文以梧桐莊礦183309工作面為背景，主要研究仰采角度對煤壁片幫的影響。

1 概況

梧桐莊礦183309工作面為一孤島面，賦存深度為372～585m，工作面長150m，兩側(cè)煤柱寬度均是5m，處于背斜構(gòu)造帶的兩側(cè)，因此要經(jīng)歷仰采和俯采兩個階段，工作面開采前期為仰采階段，仰采角度變化較大，范圍在0°～27°，局部仰角達(dá)到30°。開采2＃煤層，煤體較軟，硬度約f＝1，煤層厚2.8～3.6m，平均采高3.3m。采用長壁后退式采煤法，一次采全高，全部垮落法處理采空區(qū)。工作面基本情況如圖1所示。

圖1 309工作面基本情況示意圖

2 煤壁片幫機(jī)理

309工作面煤壁片幫影響因素如下所示。

2.1 礦壓的作用

309工作面為一孤島工作面，因此在開采之前經(jīng)歷了兩次采動影響。通過工作面作業(yè)規(guī)程可知，區(qū)段之間留有5m寬的小煤柱，周邊工作面整個推進(jìn)過程中，309工作面端頭煤體經(jīng)歷了采動影響和采動穩(wěn)定兩個階段［1］，分別對應(yīng)于煤體的受壓和解壓過程，發(fā)生了彈塑性變形，因此煤體的整體性遭到一定程度的破壞，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均降低。

2.2 煤體的強(qiáng)度

煤體的強(qiáng)度包括抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度等，其強(qiáng)度越大，承載能力也就越大。本煤層煤體較軟，強(qiáng)度較低，受壓后易發(fā)生形變。

2.3 工作面推進(jìn)速度

由于巖石在外力的作用下具有蠕變特性，如果推進(jìn)速度比較慢，巖石暴露的時間會比較長，因此蠕變產(chǎn)生的塑性變形就比較大，極易引起片幫。此工作面的日進(jìn)尺為3m，推進(jìn)速度較慢，給煤壁破壞提供了足夠時間［2］。

2.4 仰斜開采

仰采與俯采對比，仰采的煤壁片幫機(jī)率要高，且片幫深度也要大。309工作面現(xiàn)處于仰斜開采階段，超前支承壓力峰值點向工作面方向靠近，使得煤壁受壓增大［3］；仰斜開采煤壁受到重力作用更易向臨空面發(fā)生形變，且隨著仰斜角度的增加，受到的影響也將更大。

綜上所述，本身煤體強(qiáng)度較低，又受到來自兩次采動的影響，煤體在開采時已經(jīng)遭到很嚴(yán)重的破壞，裂隙較為發(fā)育，有可能為散體煤，加之仰斜開采及孤島環(huán)境，支承壓力峰值點前移且壓力較大，在仰角大小達(dá)到一定值時，煤壁發(fā)生以重力滑落形式為主的破壞［4］。

3 UDEC模擬的建立

鑒于仰角存在一個極限值，建立了以下模型來研究仰角對煤壁片幫的影響［5］。

3.1 建模條件及參數(shù)

傾角為10°時，模型的尺寸為70m×37.2919m（長×寬）；傾角為15°時，模型的尺寸為70m×44.1931m（長×寬）；傾角為20°時，模型的尺寸為70m×51.6248m（長×寬）。模型的條件如下所示。

1）模型的上部邊界為應(yīng)力邊界，模型的頂部承受500m巖層的載荷，即12.5MPa，重力加速度為9.8m／s2。

2）模型的左右邊界固定其水平位移，即有vx＝0，ux＝0。

3）模型的下部邊界固定其水平位移和垂直位移，即有vx＝0，ux＝0，vy＝0，uy＝0。

選取模型的力學(xué)參數(shù)和本構(gòu)關(guān)系見表1、表2。

表1 巖層的力學(xué)參數(shù)

表2 節(jié)理的力學(xué)參數(shù)

3.2 不同傾角對煤壁片幫影響的數(shù)值模擬分析

模擬選取了10°、15°和20°這三個角度，力學(xué)參數(shù)相同，在煤壁附近處分別布置了10個測點（表3），主要監(jiān)測其水平位移，通過其水平位移的大小來判斷煤壁處煤體的破壞情況，進(jìn)而分析仰斜角度對煤壁片幫的影響。

表3 監(jiān)測點布置情況

1）仰斜角度為10°時，模型煤壁處變形及煤壁處測點水平位移情況，如圖2、圖3所示。通過模型開挖圖可知，煤體在開挖后，煤壁基本保持在原位。觀測其測點的水平和豎直位移可知，煤壁處煤體向內(nèi)縮的現(xiàn)象，最大內(nèi)縮值為0.097m，但經(jīng)過上覆巖層的運動平衡，最終穩(wěn)定在了0.062m。此種情況的出現(xiàn)分析原因如下：①煤層較軟，受壓會產(chǎn)生較大的變形；②直接頂及上部巖體形成了類似于懸臂梁結(jié)構(gòu)；③所形成的懸臂梁結(jié)構(gòu)對煤壁有向內(nèi)的力矩；④開挖后給了足夠的平衡時間。

2）仰斜角度為15°時，模型煤壁處變形及煤壁處測點水平位移情況，如圖4、圖5所示。通過模型開挖圖可知，仰采角度為15°時，煤體開挖后，煤壁處發(fā)生了破壞，主要集中在煤壁的中上部。觀測其測點的水平位移可知，煤壁處煤體部分向外移動，且第4監(jiān)測點的水平位移量最大 為1.35m，最終穩(wěn)定在1.3m，此點附近的2、4監(jiān)測點水平位移均比較大。7、8監(jiān)測點是上下相鄰，7監(jiān)測點向內(nèi)側(cè)縮，而8監(jiān)測點向外凸，可判斷破壞深度大約在0.5m。

圖2 仰采角度為10°的模型開挖圖

圖3 煤壁處測點（10°）隨時間變化的水平位移圖

圖4 仰采角度為15°的模型開挖圖

圖5 煤壁處測點（15°）隨時間變化的水平位移圖

3）仰斜角度為20°時，模型在煤壁處變形及煤壁處測點水平位移情況，如圖6、圖7所示。通過模型開挖圖可知，仰采角度為20°時，煤體在開挖后，煤壁處同樣發(fā)生了破壞，主要集中在煤壁的中上部。觀測其測點的水平位移可知，煤壁處部分煤體向外移動，且第3監(jiān)測點的水平位移量最大，達(dá)到了1.8m，2、4監(jiān)測點水平位移也比較大。由6、7監(jiān)測點內(nèi)縮，8監(jiān)測點外凸，對比得其破壞深度在0.5m左右。

圖6 仰采角度為20°的模型開挖圖

圖7 煤壁處測點（20°）隨時間變化的水平位移圖

3.3 UDEC數(shù)值模擬分析結(jié)論

通過對仰斜開采三個不同的仰斜角度的數(shù)值模擬，可知仰斜角度對煤壁片幫的影響相當(dāng)大，并且存在極限片幫角度，達(dá)到其極限片幫角度后，將會發(fā)生煤壁片幫。本次數(shù)值模擬可得結(jié)論如下：仰斜角度對煤壁片幫有著直接影響，超過極限片幫角度后，隨著角度增大煤壁片幫加劇。當(dāng)傾角為10°時，煤壁基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，沒有破壞，而傾角為15°、20°時，煤壁均破壞；煤壁片幫基本發(fā)生在距頂板1／3～1／2采高處，更靠近1／3的位置；煤層較軟時，可產(chǎn)生較大的變形，這樣可以起到緩解頂板壓力的作用；本次數(shù)值模擬煤壁的極限片幫角度在10°～15°之間；片幫深度大約在0.5m左右。

4 現(xiàn)場觀測

4.1 現(xiàn)場統(tǒng)計

根據(jù)相鄰工作面的統(tǒng)計得知，仰斜角度在12°以下時，煤壁發(fā)生片幫的機(jī)率很小，超過12°以上，煤壁就會變得容易片幫。尤其是隨著仰角的增大，煤壁片幫更加難以控制，必須采取有效的措施進(jìn)行防治。

4.2 超聲檢測

在煤壁上布置一對相距300mm的超聲檢測孔，鉆孔孔深3m，孔口距頂板1m，與煤壁的夾角為30°，斜向上至頂板。

以超聲檢測所得數(shù)據(jù)繪制曲線圖如圖8所示，包括波速、波幅、功率譜密度值（PSD）與深度的關(guān)系曲線。

圖8 超聲檢測情況

通過曲線可知：0.5～0.9m處出現(xiàn)了波速和PSD異常，波速明顯降低，說明在此位置煤壁內(nèi)部的完整性較差，對應(yīng)于與煤壁的垂距大約在0.25～0.45m的位置，可以判定為片幫深度范圍［6］。

由上述可得：模擬所得10°～15°的極限片幫傾角范圍符合現(xiàn)場12°，模擬所得片幫深度也與超聲檢測吻合。

5 結(jié)論

1）仰采角度對煤壁片幫影響較大，存在極限片幫角度，并通過現(xiàn)場及模擬知其值在12°左右。

2）仰斜角度在一定范圍內(nèi)的增大對煤壁片幫深度影響不大，片幫深度值維持在0.5m左右。

3）煤壁片幫主要發(fā)生在煤壁的中上部位，這對防治片幫有指導(dǎo)意義，即控制關(guān)鍵位置。

［1］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［2］袁前進(jìn).綜放面煤壁片幫的理論分析和防治［J］.煤炭科技，2009（2）：44－47.

［3］陳亮，孟祥瑞，高召寧.大采高綜采工作面煤壁片幫機(jī)理分析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011（5）：18－21.

［4］李建國，田取珍，楊雙鎖.河灘溝煤礦綜放面煤壁片幫機(jī)理及其控制［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2003（12）：73－75.

［5］田建良.大采高綜采面煤壁片幫機(jī)理及控制技術(shù)研究［D］.淮南：安徽理工大學(xué)，2011.

［6］龍亦安.綜合聲學(xué)參數(shù)計分評判壩區(qū)工程巖體質(zhì)量的研究［J］.工程勘察，1990（4）：74－78.