分析特殊地質(zhì)條件下大傾角綜采工作面煤壁破壞機(jī)理

陳繼杰

(山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)壽陽(yáng)亨元煤業(yè)有限公司，山西 晉中 045400)

從我國(guó)目前煤炭開(kāi)采的實(shí)際情況分析了解到，大傾角煤層在我國(guó)占比相對(duì)較大，且產(chǎn)量豐富，不過(guò)由于開(kāi)采難度較大，為開(kāi)采工作的開(kāi)展帶來(lái)了阻礙，很容易導(dǎo)致危險(xiǎn)問(wèn)題的產(chǎn)生。所以應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件特征、圍巖結(jié)構(gòu)及移動(dòng)特點(diǎn)等因素，對(duì)其予以綜合分析和考慮，以降低開(kāi)采威脅，維護(hù)工作人員的生命安全，提高生產(chǎn)效率。

1 煤礦開(kāi)采工程所在場(chǎng)區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件

以某煤礦開(kāi)采工程為例。該工程中的8#煤層處于場(chǎng)區(qū)內(nèi)內(nèi)流河第六段第四亞段底部，是整個(gè)綜采工作面的主采煤層。經(jīng)過(guò)實(shí)地勘測(cè)可知，煤層埋深在250 m～360 m范圍內(nèi)，局部區(qū)域甚至超過(guò)360 m。綜采工作面的總體長(zhǎng)度約185 m，推進(jìn)長(zhǎng)度在950 m以上，煤層的厚度控制在1.5 m～3.2 m，通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算，平均厚度確定在1.65 m。

偽頂由泥質(zhì)粉砂巖層構(gòu)成，不均勻分布大量煤屑，且煤屑覆蓋厚度在0.35 m～0.68 m。直頂結(jié)構(gòu)以泥質(zhì)粉砂巖層結(jié)構(gòu)為主，其厚度約2.5 m，老頂結(jié)果則是由細(xì)砂巖組成，厚度在2.5 m～7.5 m；老底結(jié)構(gòu)為泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖混合體，厚度達(dá)到5 m左右。

2 煤壁片幫與頂板冒落事故

煤層所處地區(qū)的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，混合型巖層結(jié)構(gòu)較多，這使得開(kāi)采作業(yè)遇到較大阻礙。在開(kāi)采到80 m位置時(shí)，因地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性帶來(lái)了阻礙。受到曲折構(gòu)造的影響，開(kāi)采人員不得不臨時(shí)改變預(yù)設(shè)的沿工作面推進(jìn)方向進(jìn)行開(kāi)采作業(yè)的計(jì)劃，并且調(diào)整底板傾斜角度。由此，開(kāi)采作業(yè)面臨著爬坡問(wèn)題。在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘探測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)平均坡度可達(dá)到15°左右，部分區(qū)域的坡度已經(jīng)達(dá)到了25°[1]。

在開(kāi)展地質(zhì)構(gòu)造帶的開(kāi)采工作時(shí)，因?yàn)槭艿狡履_較大、周期性壓力及褶曲構(gòu)造等因素的影響，導(dǎo)致綜采工作面上存在大面積的煤壁片幫問(wèn)題，經(jīng)測(cè)量后，了解到片幫的測(cè)量深度在3.5 m～8.5 m。片幫的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致綜采工作面開(kāi)采中，裸露在外的頂板因支護(hù)作業(yè)不到位而出現(xiàn)頂板脫漏等危險(xiǎn)事故，增大施工危險(xiǎn)系數(shù)。另外，也正是因?yàn)檫@一環(huán)境條件，使得其中一段綜采工作面在施工中存在大體積矸石墜落的情況，不僅威脅了區(qū)域內(nèi)的施工安全，同時(shí)也造成機(jī)械設(shè)備的大面積破損，增加不必要的成本支出。

3 大傾角綜采工作面煤壁破壞事故誘因

3.1 煤壁破壞機(jī)理

通常情況下，在綜采工作面中不會(huì)存在較多大面積煤壁片幫或頂板冒落等危險(xiǎn)事故，不過(guò)鑒于其對(duì)綜采工作面安全施工帶來(lái)的影響，施工人員應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況制定合理的防控措施，減少傷亡和損失的形成。煤壁片幫及頂板冒落問(wèn)題的產(chǎn)生主要是由于綜采工作面所處區(qū)域地質(zhì)條件特殊，或存在間歇性壓力導(dǎo)致的。在本次研究案例中，底板爬坡中遇到了發(fā)育不良的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，其在作業(yè)中出現(xiàn)煤壁片幫現(xiàn)象。具體而言，本工程中煤壁片幫的種類(lèi)有整體片幫和部分片幫這兩種。

整體片幫出現(xiàn)在上部結(jié)構(gòu)中，且深度較大，已經(jīng)達(dá)到8.2 m左右；下部結(jié)構(gòu)則存在較為嚴(yán)重的部分片幫情況。煤壁片幫問(wèn)題帶來(lái)的影響有拉裂損傷和剪切損傷兩種。在綜采工作面開(kāi)挖作業(yè)中，煤壁片幫的產(chǎn)生會(huì)使開(kāi)挖作業(yè)中產(chǎn)生的壓力超過(guò)原巖石層的支撐壓力，待其超過(guò)巖層最大承受范圍后，就會(huì)導(dǎo)致煤壁存在不同程度的破壞，且隨著支撐壓力的增大，破壞程度也會(huì)逐漸加大。當(dāng)頂板載荷達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，煤壁表面會(huì)沿滑移面出現(xiàn)外部延展形變與蠕動(dòng)，一旦形變量與蠕動(dòng)量超過(guò)限定標(biāo)準(zhǔn)，則會(huì)導(dǎo)致剪切滑移破壞[2]。

在開(kāi)采作業(yè)中，滑移面多是以不規(guī)則的圓弧形曲面為主的，為確保計(jì)算準(zhǔn)確性和便利性，在力學(xué)分析中會(huì)將滑移面看做是平面ab。假設(shè)煤壁上部承載負(fù)荷力q-0，煤壁穩(wěn)定極限高度為185 m。當(dāng)煤壁頂部受到頂板均布荷載的影響時(shí)，要想保證煤壁的穩(wěn)性，需將結(jié)構(gòu)所能承受的荷載極限設(shè)置在2.78 MPa左右。一般情況下，影響煤壁穩(wěn)定性的因素可劃分為以下三種：1) 煤層節(jié)理發(fā)育情況；2) 煤壁耐受高度；3) 煤層頂板壓力。

3.2 構(gòu)建煤壁剪切破壞力學(xué)模型

當(dāng)仰角超過(guò)一定限度，且達(dá)到煤壁耐受限值，會(huì)導(dǎo)致剪切破壞問(wèn)題。一般煤壁的滑移面為不規(guī)則圓弧曲面，為便于計(jì)算，將剪切滑移面簡(jiǎn)化為平面ab。在煤壁高度限制下，最終計(jì)算誤差逐漸縮小。之后結(jié)合摩爾庫(kù)倫理論的相關(guān)知識(shí)可知，滑動(dòng)塊體穩(wěn)定性判定系數(shù)，是由滑移面抗滑能力參數(shù)與滑動(dòng)力計(jì)算得出的，將滑動(dòng)塊體穩(wěn)定判定系數(shù)設(shè)為W，滑移面抗滑力為T(mén)，滑動(dòng)力為S，其計(jì)算公式為：W=T/S。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)W小于1時(shí)，煤壁的穩(wěn)定性被破壞，而當(dāng)W大于1時(shí)，煤壁處于穩(wěn)定狀態(tài)下。這足以說(shuō)明，煤壁穩(wěn)定性與滑動(dòng)塊體穩(wěn)定判定系數(shù)之間呈正比例關(guān)系，即滑動(dòng)塊體穩(wěn)定判定系數(shù)越大，煤壁的穩(wěn)定性也就越強(qiáng)，相反，判定系數(shù)越小，穩(wěn)定性越差。另外，由于頂板對(duì)滑動(dòng)塊體的壓力要比滑動(dòng)塊體自身重力大很多，所以在計(jì)算時(shí)會(huì)直接忽略滑動(dòng)塊體的自重[3]。

3.3 煤壁穩(wěn)定性判定系數(shù)影響因素

該綜采工作面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下所示：H=1.6 m,α=15°,c=0.8 MPa，φ=30°，q=1.4 MPa，單軸壓縮下剪切破壞角β=45°。在其余參數(shù)不變的情況下，改變頂板壓力q、內(nèi)摩擦角φ和內(nèi)聚力c的大小，綜合分析其對(duì)穩(wěn)定性判定系數(shù)W的影響。

在保證其余系數(shù)不變的情況下，對(duì)頂板壓力、摩擦角及內(nèi)聚力系數(shù)予以轉(zhuǎn)變以此次來(lái)判斷其對(duì)穩(wěn)定性判定系數(shù)帶來(lái)的影響。綜合最終結(jié)果可知：當(dāng)其余參數(shù)保持恒定時(shí)，頂板壓力與穩(wěn)定性判定系數(shù)呈反比例關(guān)系，即頂板壓力越大，穩(wěn)定性判定系數(shù)越小；當(dāng)頂板壓力達(dá)到0.96 MPa時(shí)，穩(wěn)定性判定系數(shù)為1，說(shuō)明煤壁穩(wěn)定系數(shù)已經(jīng)達(dá)到臨界點(diǎn)，也可以確定，煤壁最大的承受壓力就在0.96 MPa左右[4]。

在其余參數(shù)保持不變的情況下，內(nèi)聚力與穩(wěn)定性判定系數(shù)呈線性增加，即內(nèi)聚力越大，穩(wěn)定性判定系數(shù)就越大；當(dāng)內(nèi)聚力達(dá)到1.2 MPa時(shí)，穩(wěn)定性判定系數(shù)為1，即煤壁尚未達(dá)到完全穩(wěn)定狀態(tài)。由此可知，若煤層內(nèi)聚力小于1.2 MPa，煤壁極易發(fā)生破壞。

在其余參數(shù)保持不變的情況下，煤壁穩(wěn)定性判定系數(shù)、煤壁所能承受的頂板壓力和綜采工作面底板爬坡角度的物理學(xué)線性關(guān)系如下所述。

在其余參數(shù)保持不變的情況下，綜采工作面底板爬坡角度與煤壁穩(wěn)定性判定系數(shù)呈反比例關(guān)系，即綜采工作面底板爬坡角度越大，煤壁穩(wěn)定性判定系數(shù)越??；當(dāng)?shù)装迮榔陆嵌却笥?°時(shí)，穩(wěn)定性判定系數(shù)為1，即煤壁尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

綜采工作面爬坡角度與煤壁所能承受的頂板壓力呈反比例關(guān)系，即綜采工作面底板爬坡角度越小，煤壁所能承受的頂板壓力越大；當(dāng)?shù)装迮榔陆嵌却笥?°時(shí),煤壁所能承受的頂板壓力小于1.4 MPa，這表明該種狀態(tài)下，煤壁所能承受的頂板壓力限值未達(dá)到煤壁穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)要求，隨時(shí)都有可能出現(xiàn)局部片幫事故[5]。

當(dāng)綜采工作面的周期性壓力超過(guò)基本頂?shù)哪褪芟薅?，?huì)導(dǎo)致頂板斷裂下沉，進(jìn)而增大煤壁頂板的壓力，削弱防護(hù)支架的支護(hù)強(qiáng)度，增大風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。在發(fā)生小規(guī)模煤壁片幫事故時(shí)，如果裸露頂板支護(hù)不及時(shí)、不到位，極易導(dǎo)致頂板冒落，誘發(fā)大面積頂板冒落事故。

針對(duì)這種情況，應(yīng)采取如下幾方面處理措施：1) 加大綜采工作面防護(hù)支架的支護(hù)強(qiáng)度，盡可能的縮小空頂距；2) 綜采工作面適當(dāng)留取底煤，減小防護(hù)支架的仰斜角度；3) 在必要情況下，對(duì)煤壁進(jìn)行注漿加固處理，增強(qiáng)煤壁安全穩(wěn)固性與頂板支撐力，確保開(kāi)采作業(yè)安全。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 該綜采工作面煤壁破壞形式以剪切破壞為主。通過(guò)構(gòu)建三維立體力學(xué)模型，增大綜采工作面防護(hù)支架的防護(hù)強(qiáng)度，降低煤壁壓力系數(shù)，有助于煤壁處于穩(wěn)定狀態(tài)。需要格外強(qiáng)調(diào)的是，煤壁高度對(duì)于煤壁安全穩(wěn)固性的影響較小。

2) 通過(guò)構(gòu)建煤壁剪切破壞力學(xué)模型可知，綜采工作面爬坡角度、煤壁所能承受的壓力限值與煤壁穩(wěn)定性判定系數(shù)之間存在著緊密聯(lián)系。由此可知，頂板壓力是破壞煤壁完整性與安全性的關(guān)鍵因素之一。具體來(lái)說(shuō)，綜采工作面爬坡角度越大，煤壁所能承受的壓力越小，發(fā)生局部片幫事故的概率越高。此外，煤體內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力以及煤壁所能承受的頂板壓力越大，煤壁穩(wěn)定性判定系數(shù)越大。這也代表煤壁穩(wěn)定性越強(qiáng)，發(fā)生煤壁片幫事故的概率越小。