矩形巷道掘進(jìn)中脆性煤壁片幫機(jī)理研究

文/邊天亮

針對(duì)片幫制約工作面順槽安全高效掘進(jìn)問(wèn)題，采用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析方法相結(jié)合，對(duì)神華杭錦能源公司塔然高勒煤礦首采面順槽掘進(jìn)中的片幫機(jī)理進(jìn)行分析，探索片幫發(fā)生的基本類(lèi)型，并獲得每種類(lèi)型片幫發(fā)生的范圍及臨界條件，揭示影響片幫發(fā)生的主要因素，以便采取相應(yīng)措施，保障礦井安全生產(chǎn)。

一、工程概況

塔然高勒煤礦首采面主采煤層為3-1煤，平均埋深約600m；煤厚平均3.77m，煤層傾角為1°～5°，平均為3°，采用大采高綜采工藝。老頂?shù)[巖層平均厚度53.77m；直接頂為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和中粒砂巖等平均為6.8m，強(qiáng)度較低，穩(wěn)定性差。目前正在掘進(jìn)的首采面三條順槽（輔助運(yùn)輸、回風(fēng)及膠帶運(yùn)輸順槽）均為矩形布置，其中回采順槽寬為5000mm，高為3500mm；輔助運(yùn)輸順槽寬為5500mm，高為3700mm；膠帶運(yùn)輸順槽寬為5500mm，高為3500mm；采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)加W鋼帶進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)?；仫L(fēng)順槽與輔助運(yùn)輸順槽之間留設(shè)30m煤柱。首采面北側(cè)為西翼輔運(yùn)、膠運(yùn)、回風(fēng)大巷，其他相鄰處均為煤層實(shí)體。目前首采面三條順槽掘進(jìn)中分別出現(xiàn)不同程度片幫情況，最深處達(dá)到1.5m，一次片幫最大范圍為3m2。片幫問(wèn)題已經(jīng)成為目前掘進(jìn)中的主要問(wèn)題之一，已威脅到掘進(jìn)工作面的安全生產(chǎn)。

二、掘進(jìn)工作面片幫機(jī)理分析

1. 塔然高勒煤礦3-1煤沖擊傾向性測(cè)定

在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室中對(duì)塔然高勒煤礦3-1煤的沖擊傾向性進(jìn)行測(cè)量，4個(gè)測(cè)量指標(biāo)包括動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間DT、沖擊能量指數(shù)KE、彈性能量指數(shù)WET和單軸抗壓強(qiáng)度Rc，測(cè)量結(jié)果如表1所示。根據(jù)判定煤層沖擊傾向性4個(gè)指數(shù)各自特性，DT和Rc的權(quán)重為0.3，WET和KE的權(quán)重各為0.2。

表1 塔然高勒煤礦3-1煤試樣沖擊傾向性各項(xiàng)指數(shù)測(cè)定結(jié)果

經(jīng)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，判定3-1煤層屬于Ⅱ類(lèi)，為具有弱沖擊傾向性煤層。繼而按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T25217.2-2010《煤的沖擊傾向分類(lèi)及指數(shù)的測(cè)定方法》中規(guī)定的四個(gè)指標(biāo)的等級(jí)區(qū)間，采用模糊權(quán)重評(píng)價(jià)方法對(duì)指標(biāo)所屬區(qū)間的隸屬度進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，塔然高勒煤礦煤層沖擊傾向性的最終隸屬度為(0，0.45，0，0.58)，表明3-1煤層雖然為弱沖擊傾向性，但由于各沖擊傾向性指標(biāo)處于弱與強(qiáng)等級(jí)的交界位置，其沖擊傾向性的隸屬度很大程度上偏向于強(qiáng)級(jí)。因此，塔然高勒煤礦煤層具有較強(qiáng)的儲(chǔ)藏彈性能和瞬間釋放彈性能的能力。

2. 塔然高勒煤礦地應(yīng)力測(cè)試

采用應(yīng)力解除法對(duì)塔然高勒煤礦的地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，選取三個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)基本情況如表2所示。垂直主應(yīng)力σV的大小約為最大水平主應(yīng)力σH的1.19～1.22倍，應(yīng)力場(chǎng)特征為σV>σH>σh，塔然高勒煤礦地應(yīng)力場(chǎng)以垂直應(yīng)力為主。由“最大主應(yīng)力原理”可知，此類(lèi)型地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)巷道兩幫的穩(wěn)定最為不利。

三、塔然高勒煤礦片幫機(jī)理的理論分析

1. 模型的建立

（1）不考慮煤壁垂直方向壓縮變形。數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)巷道高度為3.7m時(shí)，完整性較好的中硬煤壁的壓縮變形量最大值為2.8cm，對(duì)撓度的影響較小，分析此類(lèi)煤壁的撓度特征時(shí)可不考慮煤壁壓縮變形量對(duì)撓度的影響。

（2）不考慮重力對(duì)煤壁的影響。相較垂直應(yīng)力的影響，重力對(duì)煤壁撓度的影響較小，為簡(jiǎn)化分析模型，不考慮重力對(duì)煤壁的影響。

（3）不考慮水平應(yīng)力對(duì)煤壁的影響。

由首采面順槽的煤壁附近主應(yīng)力分布（見(jiàn)圖1）可知，在順槽煤壁的上部，最大主應(yīng)力方向與垂直方向有一定夾角，且偏向遠(yuǎn)離巷道的方向；煤壁中部最大主應(yīng)力方向基本垂直，而煤壁下部最大主應(yīng)力方向與垂直方向有一定夾角，且偏向巷道的方向。順槽煤壁的上部和下部受到的主應(yīng)力大小和方向呈對(duì)稱(chēng)分布，因此煤壁所受水平方向的外力大小相等，方向相反，互相抵消。

基于以上的簡(jiǎn)化，對(duì)于完整性較好的中硬煤壁，分析頂板壓力作用下煤壁的撓度特征時(shí)可以簡(jiǎn)化為一端彈性支承，一端剛性固定的受壓彈性桿。

2. 片幫位置分析

實(shí)際可知，邊界條件為一端鉸支、另一端固支時(shí)，煤壁側(cè)向變形曲線(xiàn)為正弦半波，其側(cè)向位移最大值點(diǎn)距巷道頂板0.35h處。當(dāng)頂板壓力繼續(xù)增加，煤壁將首先從距頂板0.35h處失穩(wěn)。

表2 塔然高勒煤礦地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)基本情況

圖1 試采工作面掘進(jìn)巷道周?chē)畲笾鲬?yīng)力分布情況

3. 片幫范圍分析

在煤巖的單軸壓縮試驗(yàn)中，試樣的破壞分為以下三種形式：x狀共軛斜面剪切破壞、單斜面剪切破壞和拉伸破壞。對(duì)于前兩種破壞形式，破壞面與水平面的夾角為45°+φ/2，其中φ為煤巖的內(nèi)摩擦角。與此相似，井下的片幫同樣是以煤壁的剪切破壞和拉伸破壞為主，分為剪切型片幫、剪切型片幫及冒頂、拉伸型片幫；而剪切型片幫根據(jù)破壞形式的不同，又可分為共軛剪切型片幫和單斜面剪切型片幫。

與實(shí)驗(yàn)室觀察到的現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)，巷道煤壁在頂板壓力作用下，在與水平面成45°+φ/2夾角的斜面上剪應(yīng)力最大，首先產(chǎn)生一組與水平面成45°+φ/2夾角的滑移線(xiàn)。由于在煤壁上方0.35倍巷道高度位置橫向位移最大，所以沿此處的滑移線(xiàn)最先發(fā)生破壞。用S表示片幫深度，φ表示煤體的內(nèi)摩擦角，由公式（1）可以看出，剪切型片幫深度是巷高和煤層自身性質(zhì)(即內(nèi)摩擦角)的函數(shù)，和受到的垂直應(yīng)力的大小無(wú)關(guān)，并且共軛剪切型片幫的范圍是巷道頂板向下0～0.7h這段距離；單斜面剪切型片幫的范圍是巷道頂板向下0～0.35h這段距離。

拉伸型片幫通常是整個(gè)煤壁同時(shí)發(fā)生破壞。而對(duì)于拉伸型片幫的深度，目前尚沒(méi)有較好的計(jì)算公式。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察，通常它小于剪切型片幫的深度，一般在0.2～0.5m之間。

4. 片幫臨界條件分析

通過(guò)上述分析，得出煤壁片幫深度的計(jì)算公式，并且獲得了片幫形式主要包括剪切型和拉伸型兩種，針對(duì)這兩種片幫形式，對(duì)片幫發(fā)生的臨界條件進(jìn)行分析。

首先，采用莫爾強(qiáng)度理論，分析剪切型片幫的臨界條件?；谄瑤偷膲簵U模型可知，煤壁主要受到垂直主應(yīng)力σ1的作用，水平主應(yīng)力σ2=0。則片幫滑移面上的正應(yīng)力σα和剪應(yīng)力τα可由公式（2）求得：

在垂直應(yīng)力作用下，剪切型片幫形成的滑移面的外法線(xiàn)方向和最大主應(yīng)力的夾角α為45°+φ/2。將上式和α=45°+φ/2代入庫(kù)倫-莫爾強(qiáng)度理論τ=c+σtanφ，可以得到：

其中，σcr為剪切型片幫發(fā)生的臨界垂直應(yīng)力，φ為煤的內(nèi)摩擦角，c為內(nèi)聚力。

整理可得：

由上式，σcr是由煤的自身性質(zhì)，即內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角決定的，且臨界垂直應(yīng)力與內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均為正相關(guān)；由公式（5）可以求得片幫發(fā)生的臨界埋深Hcr：

其中，γ為上覆巖層的平均重力密度，通常=0.027MN/m3。當(dāng)井下巷道的實(shí)際埋深H0Hcr時(shí)片幫發(fā)生。

因此，當(dāng)垂直應(yīng)力σ1同時(shí)滿(mǎn)足σ1>σt/μ和σ1>σc時(shí)，即會(huì)發(fā)生拉伸型片幫。并且通過(guò)計(jì)算可知，發(fā)生拉伸型片幫與剪切型片幫相似，取決于煤壁受到的垂直應(yīng)力以及煤體的自身性質(zhì)。但區(qū)別在于，決定拉伸型片幫的煤體自身性質(zhì)是泊松比、抗拉強(qiáng)度和單軸抗壓強(qiáng)度。

四、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

據(jù)對(duì)塔然高勒煤礦掘進(jìn)工作面煤壁片幫的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明：在掘進(jìn)西翼回風(fēng)大巷和掘進(jìn)首采面三條順槽的初期，片幫現(xiàn)象較少；隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，片幫顯現(xiàn)更為劇烈，但煤壁片幫深度一般小于1.0m，位于煤壁上部和上方拐角處；隨著掘錨機(jī)不斷的截割煤壁，兩幫及掘進(jìn)迎頭的煤體向巷道空間內(nèi)彈射，并伴隨有“噼啪”聲，局部片幫伴隨有冒頂現(xiàn)象，最大片幫深度達(dá)到1.5m，在掘進(jìn)面割煤后兩個(gè)小時(shí)，片幫尤為嚴(yán)重。

由實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果可知，3-1煤的內(nèi)聚力c為4.9MPa，內(nèi)摩擦角φ為24°，單軸抗壓強(qiáng)度σc為21.99MPa，抗拉強(qiáng)度σt為1.21MPa，泊松比μ為0.18。首采面三條順槽中，膠運(yùn)和回風(fēng)順槽的巷高為3.5m，輔運(yùn)順槽的巷高為3.7m。

由精查地質(zhì)報(bào)告和采掘工程平面圖可知，膠運(yùn)順槽的埋深約為562～637m；回風(fēng)順槽的埋深約為573～637m；輔運(yùn)順槽的埋深約為570～634m，三條順槽沿著掘進(jìn)方向埋深不斷增大。

因此，三條順槽所處的埋深滿(mǎn)足剪切型片幫的發(fā)生條件，但不滿(mǎn)足拉伸型片幫的發(fā)生條件，從而表明塔然高勒煤礦掘進(jìn)中多發(fā)生剪切型片幫，這和井下實(shí)際觀察到的片幫情況相吻合。

隨著掘進(jìn)工作面的不斷推進(jìn)，埋深加大導(dǎo)致巷道煤壁受到的垂直應(yīng)力相應(yīng)增大，從而片幫程度逐漸加大。而塔然高勒煤礦掘進(jìn)面片幫的同時(shí)伴隨有煤塊彈射的原因是3-1煤層具有較高的沖擊傾向性。

五、結(jié)論

據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析可知，塔然高勒煤礦掘進(jìn)面片幫的主要原因是其埋深達(dá)到了片幫發(fā)生的臨界埋深；3-1煤層具有較高的沖擊傾向性使得煤壁片幫發(fā)生時(shí)伴隨煤塊向巷道空間內(nèi)拋射。這為采取相應(yīng)防治措施，保障礦井安全生產(chǎn)提供了依據(jù)。