“兩軟一硬”綜放面煤壁片幫機(jī)理數(shù)值模擬研究

楊歲寒，喬 旺

（河南大有能源股份有限公司，河南 義馬 472300）

目前，我國厚煤層、特厚煤層通過對綜采放頂煤技術(shù)的充分應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了礦井安全、高產(chǎn)、高效生產(chǎn)。尤其在一些回采難度較大的煤層，綜采放頂煤技術(shù)得到了較快發(fā)展，如“三軟”、“兩硬”、“高瓦斯突出”、“大傾角”等特殊煤層。很多問題隨著綜采放頂煤回采工作面高產(chǎn)、高效的生產(chǎn)而產(chǎn)生，如工作面煤墻片幫、回采工作面兩巷壓力顯現(xiàn)嚴(yán)重等，是制約礦井安全生產(chǎn)的重大隱患。當(dāng)所回采煤層的頂板屬堅(jiān)硬巖層，而煤體較軟和煤層底板屬軟巖的這類地質(zhì)構(gòu)造，就稱為“兩軟一硬”煤層。是繼三軟煤層（煤層頂板軟、煤體軟、煤層底板軟）特殊地質(zhì)條件開采之后，又一個(gè)需要解決的問題〔1-4〕。煤壁片幫、端面距冒頂相互誘發(fā)，不利于斷面頂板穩(wěn)定是“兩軟一硬”煤層的主要特征。實(shí)現(xiàn)綜采放頂煤工作面安全、高產(chǎn)、高效生產(chǎn)并取得良好經(jīng)濟(jì)效益的前提是如何有效控制煤壁片幫，因此開展“兩軟一硬”不穩(wěn)定煤層綜采放頂煤工作面煤壁片幫機(jī)理及控制技術(shù)的研究具有重要的意義。

1 工作面概況

河南大有義安公司12040綜放工作面位于12采區(qū)中部，東臨二112030工作面，西臨二112050工作面，北至工作面切眼，南至一水平西翼膠帶大巷保護(hù)煤柱。地表丘陵、溝谷發(fā)育，無高大建筑物。該工作面底板標(biāo)高-314 m～-262m；地表標(biāo)高+332.4m～+363.2m，走向長度649 m；傾斜可采長度159m；煤層賦存不穩(wěn)定，煤層厚度為1.2～9.4m，平均5.3m，煤層傾角5°～10°，煤層較軟，煤層普氏硬度系數(shù)f=0.4～0.6，煤層結(jié)構(gòu)簡單，僅局部存在夾矸，夾矸多為厚0～0.8m 的泥巖或細(xì)砂巖；老頂約為厚21 m 的中-細(xì)粒石英砂巖，直接頂為厚2.3m 的細(xì)砂巖，直接底為厚1.61m 的砂質(zhì)泥巖，老底為黑灰色細(xì)砂巖，局部裂隙發(fā)育，約為8m。地質(zhì)構(gòu)造較簡單，在掘進(jìn)過程中實(shí)際揭露斷層8條，落差較小，均在0.3～1.9m 之間；采用走向長壁后退式一次采全高全部垮落法管理頂板放頂煤采煤方法。

2 煤壁片幫形式及影響因素分析

2.1 煤壁片幫破壞形式分析

在回采工作面生產(chǎn)過程中，工作面的煤墻側(cè)承受壓力能力較低，是回采工作面支撐體系中的薄弱點(diǎn)，有時(shí)甚至無承載能力，因受其生產(chǎn)工藝限制及所處位置影響，煤壁無法處于三向受力狀態(tài)，因而會出現(xiàn)壓力失衡，產(chǎn)生煤壁片幫現(xiàn)象。煤壁的破壞形式有拉裂平破壞和剪切破壞兩種，是其在煤體自重、煤層頂板壓力以及回采活動(dòng)擾動(dòng)作用下的結(jié)果〔5-6〕（見圖1、圖2）。

圖1 煤壁片幫形式示意

圖2 煤壁剪切破壞分析

當(dāng)煤層煤質(zhì)脆而硬時(shí)，煤壁的主要破壞形式是拉裂破壞，煤壁容許變形量小是煤質(zhì)脆且較硬這類煤層的共同特性，在煤層上覆巖層頂板壓力與巖層自身重力的作用下，在煤體的橫向方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，致使煤體產(chǎn)生拉裂破壞〔7-8〕。

2.2 煤壁片幫影響因素分析

（1）煤體性質(zhì)。煤壁因承受支承壓力與橫向拉應(yīng)力二向力，并且存在自由面，工作面煤壁附近煤體的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，煤體被擠出，最終形成煤壁片幫。義安公司12040綜放工作面所開采煤層為二1 煤，該煤層較為松軟，煤體低強(qiáng)度、低承載能力、破碎、不穩(wěn)定等是煤墻片幫的主要因素。

（2）采高的影響。在回采工作面回采過程中，超前支承壓力在煤壁前方形成，一定深度內(nèi)的煤體受超前支承壓力的作用，呈格里菲斯強(qiáng)度破壞特征破壞?；夭晒ぷ髅娌筛咴酱?，頂板的冒落越多，施加在煤壁上的壓力就越大。煤壁煤體外鼓量隨煤體強(qiáng)度的降低或超前支承壓力的增大而增多，當(dāng)煤壁所承受的壓力增加時(shí)，煤壁片幫的可能性就大大增加。

12040綜放工作面煤層賦存不穩(wěn)定，煤層厚度變化大，當(dāng)開采煤層較厚時(shí)，相對于薄煤層來說，煤壁片幫程度更大。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型的建立

在工作面不同采放比和回采距離的條件下，研究不同采放比、回采距離分別對工作面煤壁片幫影響，從而建立了300m×75m×180m 模型。

根據(jù)綜放工作面實(shí)際地質(zhì)資料與工作面地質(zhì)柱狀圖描述，該工作面煤層傾角約為10°，屬于近水平煤層。

3.2 不同煤層厚度下煤壁片幫模擬

采高度為2.5m 時(shí)，煤厚分別為5.0m、6.5m、8.0m、9.5m。

（1）煤壁及前方煤體應(yīng)力分布特征。煤層厚度不同時(shí)，工作面煤體應(yīng)力分布特征見圖3～圖6。

圖3 煤厚5.0m 垂直應(yīng)力分布

圖4 煤厚6.5m 垂直應(yīng)力分布

圖5 煤厚8.0m 垂直應(yīng)力分布

圖6 煤厚9.5m 垂直應(yīng)力分布

由圖7可知，工作面超前應(yīng)力峰值點(diǎn)隨著煤層厚度的增加向前移動(dòng)；四種厚度煤層的應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.1、2.05、1.8、1.8，隨煤層厚度的增加而減小。這種情況是因?yàn)楫?dāng)煤層被開挖后，頂板覆巖的載荷部分作用在煤體上，當(dāng)煤壁較軟時(shí)，在覆巖壓力的作用下，煤壁的煤體很快被壓酥，煤體的剛度大大降低，當(dāng)覆巖壓力進(jìn)一步增大，超過了煤體自身的強(qiáng)度時(shí)，作用在煤體上的壓力就會向煤體深處轉(zhuǎn)移。通過模擬可知，應(yīng)力峰值距煤壁的距離與煤層厚度成正比，煤層厚度越大，煤壁發(fā)生片幫的可能性就越大，模擬結(jié)果與實(shí)際應(yīng)力峰值基本吻合。

圖7 垂直應(yīng)力分布曲線

（2）水平移動(dòng)分布特征。當(dāng)不同煤層厚度條件下，工作面煤體水平移動(dòng)分布特征見圖8～圖11。

圖8 煤厚5.0m 時(shí)水平移動(dòng)分布

圖9 煤厚6.5m 時(shí)水平移動(dòng)分布

圖10 煤厚8.0m 時(shí)水平移動(dòng)分布

圖11 煤厚9.5m 時(shí)水平移動(dòng)分布

為深入研究煤壁片幫，煤壁煤體片幫的深度可以用煤體水平拉裂率的大小來分析，煤體水平拉裂率是水平單位長度內(nèi)兩點(diǎn)水平位移的差值，公式為v=Δl／l，該公式可以用來表示兩點(diǎn)之間位移的大?。ㄒ妶D12、圖13）。

圖12 煤壁最大水平位移量與煤層厚度的關(guān)系

圖13 煤體的水平拉裂率與煤層厚度的關(guān)系

由圖12、圖13可得，工作面煤壁最大水平位移量隨煤層厚度的增加而增大；煤層最大水平拉裂率為0.19、0.20、0.23、0.26，而且煤體離層最大位置分別位于煤壁前部0.76m、1.1m、1.5m、1.63m；由此可知，煤壁煤體的最大水平位移量大小、煤體最大水平拉裂率與煤層厚度有關(guān)，煤層厚度與煤體最大水平位移量、煤體最大拉裂率成正比，并且最大水平拉裂率的位置隨煤壁的厚度增厚離煤壁越遠(yuǎn)。

3.3 不同推進(jìn)距離下煤壁片幫模擬

機(jī)采高度為2.5m 的回采工作面，回采距離分別取20 m、30m、40m、50m。

（1）煤壁附近煤體應(yīng)力分布特征

圖14 不同回采距離垂直應(yīng)力分布曲線

由圖14可得，當(dāng)工作面分別回采20m、30m、40m、50 m 時(shí)，工作面前方最大垂直應(yīng)力峰值分別在工作面前5.5 m、6.1m、7.6 m、9.7 m 處，應(yīng)力值分別約為13.2 MPa、14.8 MPa、17.7 MPa、21.8 MPa。工作面前方煤體的垂直應(yīng)力峰值隨著工作面推進(jìn)距離的增大而變大，垂直應(yīng)力峰值距工作面煤體的距離就越遠(yuǎn)，工作面煤墻片幫的可能性就越大。

由壓力拱的原理可知，煤層上覆巖層的破壞程度及高度隨著工作面推進(jìn)距離的增大而增大，工作面煤體承受的相應(yīng)壓力就越大，一般情況下，從工作面初次放頂?shù)嚼享數(shù)谝淮沃芷趤韷簳r(shí)期內(nèi)，壓力拱逐漸增大，煤體所承受的壓力就越大。在后期垮落帶高度相對穩(wěn)定、老頂按周期斷發(fā)生裂下沉后，工作面前方垂直應(yīng)力的峰值與上覆巖層老頂?shù)臄嗔验L度有關(guān)。

（2）煤壁水平移動(dòng)分布特征

由圖15、圖16可得，當(dāng)推進(jìn)距離是20m、30m、40m、50m 時(shí)對應(yīng)的最大水平位移是275.3mm、322mm、367.5 mm、426.5 mm，煤體最大水平拉裂率是0.097、0.109、0.156、0.178，而且煤體最大離層位置在煤壁前方0.22m、0.41m、0.65m、0.76m。由此得出，隨著工作面推進(jìn)長度的加大，工作面煤墻的最大拉裂率與水平移動(dòng)量變大，拉裂位置也隨著推進(jìn)距離的增大而離煤墻越來越遠(yuǎn)。

圖15 煤壁最大水平位移量與推進(jìn)距離的關(guān)系

圖16 工作面前方煤體的水平拉裂率與推進(jìn)距離的關(guān)系

4 煤壁片幫控制措施

通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析和結(jié)合實(shí)際綜放工作面情況，提出如下解決或緩解煤體片幫問題的手段。

1）提高放頂煤厚度。根據(jù)煤體片幫數(shù)值模擬結(jié)果和影響因素分析，片幫程度和幾率與放頂煤厚度成反比，通過減少采煤機(jī)采高，提高放頂煤厚度，工作面片幫程度可以得到有效緩解，因此盡可能提高放頂煤厚度，從而降低采煤機(jī)采高，使采煤機(jī)采高控制在2.5m 以下。

2）加快工作面推采速度。通過加快工作面的推采速度，減少工作面煤壁裸露時(shí)間，降低煤體風(fēng)化、變形及受支承壓力對其的破壞程度，從而提高煤體的穩(wěn)定性。

3）加強(qiáng)支架護(hù)幫、護(hù)頂裝置使用管理。通過加強(qiáng)支架護(hù)幫、護(hù)頂裝置使用管理，移動(dòng)支架后及時(shí)使支架接頂，并伸展護(hù)幫板，及時(shí)護(hù)頂、護(hù)幫，減少煤壁煤體的裸露時(shí)間和頂煤的裸露時(shí)間與范圍；并保證支架一次移動(dòng)到位，避免反復(fù)移動(dòng)造成頂板破碎。

4）減少截割深度。回采工作面一旦發(fā)生片幫，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整采煤機(jī)截割深度，通過減少截割深度提高采煤機(jī)牽引速度，減少對煤體的破壞，從而減輕煤壁片幫。

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