小保當?shù)V大采高工作面煤壁片幫的壓桿穩(wěn)定性分析

陳 兵，薛曉強，張林川，高曉君

(陜西小保當?shù)V業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

在我國，隨著采煤工藝、采掘設(shè)備、礦壓監(jiān)測技術(shù)的日趨完善，特厚煤層開采目前基本上采用大采高采煤法或放頂煤采煤法，千萬噸礦井井噴式批建，甚至形成了千萬噸礦井群[1]。但是兩種采煤工藝在釋放產(chǎn)能的同時，伴生出大量工作面礦壓及巷道圍巖控制難題，例如大采高工作面煤壁片幫甚至冒頂、覆巖運動范圍大且來壓劇烈、厚層頂煤巷道變形量大等[2-4]。榆神礦區(qū)具有煤層埋藏淺、煤層賦存條件簡單、煤層厚度大、煤質(zhì)優(yōu)良等特點，成為千萬噸礦井群建設(shè)基地。本文針對小保當?shù)V大采高工作面回采期間片幫劇烈的問題，采用壓桿穩(wěn)定力學理論[5，6]及MatLab數(shù)據(jù)分析軟件，分析護幫板提供不同水平載荷及長度時大采高煤壁撓度分布規(guī)律及特征，揭示大采高工作面煤壁片幫機理，研究小保當?shù)V5.5m、6.5m及7.5m采高煤壁撓度分布規(guī)律、穩(wěn)定性特征及片幫防治技術(shù)。

1 “壓桿”結(jié)構(gòu)模型的建立

大采高工作面煤壁主要受上覆巖層垂直應力、護幫板水平支護應力及煤層與頂?shù)装彘g摩擦力等，此時煤壁可簡化為一端固定一端簡支的等截面梁[7]。大采高工作面煤壁上部及下部所受頂?shù)装鍓毫Υ笮∠嗟确较蛳喾?，忽略水平地應力對大采高工作面煤壁片幫的影響，為定量分析，對大采高工作面煤壁“壓桿”結(jié)構(gòu)模型力學環(huán)境作出如下假設(shè)：①不計煤壁自重對水平變形(撓度)影響；②不計煤壁垂直方向壓縮變形影響，煤壁壓縮變形對煤壁水平擾動很?。虎鄄豢紤]煤壁剪切變形；④忽略水平地應力對大采高工作面煤壁片幫的影響。簡化后“壓桿”結(jié)構(gòu)力學模型如圖1所示。

圖1 “壓桿”結(jié)構(gòu)力學模型

圖1中，P為頂板壓力，kN；F為煤層與頂板間摩擦力，kN；qh為護幫板作用于煤壁水平載荷集度，kN/m；qM為煤層作用于煤壁水平載荷集度，kN/m；L為采高，即煤壁高度，m；a為護幫板長度，m；b為底板距護幫板下端長度，m。坐標軸以煤壁最高點為原點o，煤壁豎直向下為x軸，水平向右為y軸。

2 大采高工作面片幫的壓桿穩(wěn)定性分析

“壓桿”結(jié)構(gòu)模型是一種超靜定梁?；谛∽冃蜗嗳輻l件及撓度疊加原理，將“壓桿”結(jié)構(gòu)模型簡化成一端固定一端簡支的等截面梁。不同外力條件下懸臂梁撓度分布如圖2所示，一端固定一端簡支的等截面梁撓度分解為懸臂梁均布載荷(包括煤層作用于煤壁均布載荷qM及護幫板作用于煤壁水平載荷qh)作用下的撓度wq及懸臂梁集中載荷作用下的撓度wF的疊加。此處頂板壓力對懸臂梁水平方向撓度擾動不計。一端固定一端簡支的等截面梁A點撓度為零，即：

wAqM+wAqh+wAF=0

(1)

圖2 不同外力條件下懸臂梁撓度分布

根據(jù)材料力學懸臂梁撓度公式計算得：

將式(2)、式(3)及式(4)代入式(1)可得：

同理，根據(jù)撓度疊加原理，在懸臂梁任意取一截面x進行受力分析，對x截面上的形心取矩：

根據(jù)撓度曲線方程：

將式(6)代入式(7)可得：

“壓桿”結(jié)構(gòu)模型懸臂梁撓度方程：

w=wF+wqM+wqh

(9)

(10)

3 護幫板作用條件下煤壁撓度分布特征分析

3.1 護幫板提供不同水平載荷條件下煤壁撓度分布

為研究護幫板支護強度與煤壁撓度關(guān)系，基于小保當?shù)V地質(zhì)條件及生產(chǎn)現(xiàn)狀，將煤厚L=7.5m，護幫長度a=3.75m，代入式(10)，得：

(11)

將式(11)輸入MatLab數(shù)據(jù)分析軟件，護幫板提供不同水平載荷條件下煤壁撓度分布如圖3所示。

圖3 護幫板提供不同水平載荷條件下煤壁撓度三維分布

護幫板水平載荷與煤壁撓度關(guān)系如圖4所示，圖4揭示了護幫板提供不同載荷條件下煤壁撓度分布規(guī)律及特征，具體如下：

圖4 護幫板水平載荷與煤壁撓度關(guān)系

1)當k1不變時，即護幫板提供載荷不變時，隨x增大(煤壁由上到下)，煤壁撓度減小。煤壁最高點處撓度最大，煤壁越發(fā)容易屈曲破壞，應著重加大煤壁上半段支護強度，防止煤壁高處片幫傷人。

2)隨著k1減小，即護幫板提供載荷增大時，煤壁撓度減小速率明顯增大，煤壁同一高度處撓度明顯減小。表明增大護幫板水平載荷可大大降低煤壁撓度，減弱煤壁屈曲，增強煤壁穩(wěn)定性。

3)不同k1值，即護幫板提供不同水平載荷，煤壁最高點處撓度變化不明顯，煤壁最高點以下煤壁撓度減小速度明顯不同。現(xiàn)場控制大采高片幫時要注意煤壁最高點破壞情況，嚴防高處滑落砸人。

4)當k1=7.5時，大采高煤壁最高點撓度處于530左右，隨x增大，煤壁各點撓度迅速減小，煤壁撓度分布趨于穩(wěn)定。因此，小保當7.5m采高工作面支架選型護幫板水平載荷選擇1MPa，可有效控制煤壁片幫現(xiàn)象。當局部地段地質(zhì)條件惡化時，應及時加大護幫板水平載荷強度并聯(lián)合其他治理片幫措施(護幫錨桿、煤壁注漿、貼幫柱等)共同保證大采高煤壁穩(wěn)定[8-10]。

3.2 護幫板不同護幫長度條件下煤壁撓度分布

為研究護幫板護幫長度與煤壁撓度關(guān)系，基于小保當?shù)V地質(zhì)條件及生產(chǎn)現(xiàn)狀，將煤厚L=7.5m，護幫長度k1=7.5，代入式(10)，得：

將式(12)輸入MatLab數(shù)據(jù)分析軟件，護幫板不同護幫長度條件下煤壁撓度分布如圖5所示。

圖5 護幫板不同長度條件下煤壁撓度三維分布

護幫板不同護幫長度條件下煤壁撓度分布規(guī)律及特征如圖6所示。

圖6 護幫板護幫長度與煤壁撓度關(guān)系

1)當a不變時，即護幫板護幫長度不變時，隨x增大(煤壁由上到下)，煤壁撓度減小，撓度減小速率逐漸減小，最終在x=5～7.5m即煤壁下半部分時，煤壁撓度趨于穩(wěn)定變化小。煤壁最高點處撓度最大，煤壁容易屈曲破壞，大采高工作面應嚴防煤壁高處片幫傷人。

2)隨著a增大，即護幫板護幫長度增大時，煤壁同一高度處撓度明顯減小，護幫效果明顯改善。表明增大護幫板護幫長度可大大降低煤壁撓度，減弱煤壁屈曲，增強煤壁穩(wěn)定性。

3)不同a值，即護幫板護幫長度不同時，煤壁最高點處撓度隨護幫長度增大明顯降低，煤壁最高點以下煤壁撓度也明顯不同。表明增大護幫板強度可大大改善煤壁穩(wěn)定性。

4)值得注意當a=4m時，大采高煤壁最高點撓度處于376左右，隨x增大，煤壁各點撓度迅速減小，x=4～7.5m即煤壁下半部分時，煤壁撓度趨于穩(wěn)定，煤壁撓度分布趨于穩(wěn)定。因此，小保當7.5m采高工作面支架選型護幫板最大護幫長度達4m，可有效控制煤壁片幫。

4 小保當?shù)V不同采高條件下煤壁穩(wěn)定性分析

基于小保當?shù)V地質(zhì)條件及支架選型情況可知：礦井2-2煤埋深302.74m，厚度3.30～9.86m，平均5.55m，側(cè)壓系數(shù)1.0～2.0，水平應力取7.5MPa；大采高支架一級護幫板尺寸為頂長×底×高=1530mm×1328mm×1200mm，當片幫嚴重打開三級護幫板后高度可達4m，達到煤壁中部；護幫板提供水平載荷強度1MPa左右。綜上可知k1=7.5，k2=2。

當采高為5.5m時，代入式(10)得：

當采高為6.5m時，代入式(10)得：

當采高為7.5m時，代入式(10)得：

將式(13)、式(14)及式(15)輸入MatLab數(shù)據(jù)分析軟件，小保當煤礦5.5m、6.5m及7.5m采高片幫情況論證如下：

小保當煤礦5.5m、6.5m及7.5m采高煤壁撓度分布規(guī)律及特征如圖7所示。

圖7 小保當煤礦不同采高煤壁撓度分布

1)當采高不變時，隨x增大(煤壁由上到下)，煤壁撓度減小，撓度減小速率逐漸減小。煤壁最高點處撓度最大，大采高工作面應嚴防煤壁高處片幫傷人。

2)隨著采高增大，煤壁同一高度處撓度明顯增大，其中5.5m采高最大撓度160，6.5m采高最大撓度298，7.5m采高最大撓度530。表明采高增大時，煤壁片幫危險性顯著增強，應及時采取措施增強煤壁穩(wěn)定性，防治片幫事故。

3)小保當?shù)V護幫板提供水平載荷強度1MPa，護幫板最大護幫長度達4m，即k1=7.5，k2=2，5.5m、6.5m及7.5m采高煤壁各點撓度分布趨于良好，煤壁穩(wěn)定性得到大大改善。當煤層地質(zhì)條件惡化時及時聯(lián)合其他防片幫措施保障煤壁穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

1)基于大采高工作面煤壁力學條件，建立了“壓桿”結(jié)構(gòu)模型，得出了護幫板提供不同水平載荷及長度條件下，大采高煤壁撓度分布力學表達式。

2)采用MatLab數(shù)據(jù)分析軟件，揭示了大采高支架護幫板提供不同水平載荷及護幫長度時煤壁撓度分布規(guī)律及特征，表明增大護幫板水平載荷及護幫長度可大大改善煤壁穩(wěn)定性。

3)小保當?shù)V大采高支架護幫板水平載荷強度1MPa，護幫長度達4m，即k1=7.5，k2=2，5.5m、6.5m及7.5m采高煤壁穩(wěn)定性得到大大改善。當局部地段地質(zhì)條件惡化時，應及時加大護幫板水平載荷強度及護幫長度并聯(lián)合其他治理片幫措施(護幫錨桿、煤壁注漿、貼幫柱等)共同保證大采高煤壁穩(wěn)定。