大采高工作面局部煤壁片幫特征及其穩(wěn)定性控制

董 碩

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司, 遼寧 撫順 113122; 2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 撫順 113122)

1 前言

隨著我國煤礦生產(chǎn)設(shè)備及機(jī)械化水平的提高,針對(duì)特厚煤層開采目前已實(shí)現(xiàn)8.8 m采高的大采高工作面[1],然而隨著工作面采高越大,其礦壓顯現(xiàn)越為嚴(yán)重,煤壁易于片幫。針對(duì)大采高煤壁片幫問題一直以來都是研究的熱點(diǎn),學(xué)者們也作出了大量的研究工作,王家臣教授等提出的煤壁剪切、拉裂破壞機(jī)理與“棕繩-注漿”柔性加固技術(shù)[2-3];尹希文、寧宇教授等運(yùn)用壓桿理論對(duì)較完整的中硬煤的撓度進(jìn)行了研究[4-5];劉長友教授等[6-7]對(duì)煤層采動(dòng)裂隙的發(fā)展演化進(jìn)行了數(shù)值模擬,并運(yùn)用滑移線理論對(duì)煤壁破壞進(jìn)行了力學(xué)分析,得到了煤壁破壞的危險(xiǎn)范圍;袁永教授等針對(duì)“三軟”大采高綜采面建立采場煤壁“楔形”滑移失穩(wěn)力學(xué)模型,明確了該類煤壁“楔形體”滑落破壞形式[8];韓宇峰等研究了大采高工作面支架剛度對(duì)煤壁穩(wěn)定性的影響效應(yīng),通過提高支架高度會(huì)有效地對(duì)煤壁穩(wěn)定性進(jìn)行控制[9];熊鈺等基于云理論對(duì)大傾角煤壁穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)的評(píng)價(jià),并對(duì)煤壁失穩(wěn)影響因素進(jìn)行了全面的分析[10]。而以往的研究多是集中在中厚煤層、“三軟”、“大傾角”等特定條件開采煤壁片幫問題上,且以片幫機(jī)理研究較多。而針對(duì)大采高特厚煤層開采煤壁片幫特征及影響因素的研究也尤為重要,因此本文以大采高煤壁片幫特征為研究重點(diǎn),并分析大采高煤壁失穩(wěn)的眾多影響因素,從而針對(duì)性地提出大采高工作面煤壁穩(wěn)定性控制措施,進(jìn)一步指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

2 工程概況

3-1煤為主采煤層,煤層埋深196.3～223.8 m。31101工作面為本采區(qū)首采工作面,附近無其他工作面回采擾動(dòng),該工作面平均埋深約為210 m,煤層傾角為0°～4°,平均傾角為1°,煤層厚度5.8～6.5 m,厚度變化較小,平均采高為6 m。工作面沿走向推進(jìn)(長度1 089 m)、沿傾向布置(長度250 m)。煤層頂?shù)装宥酁槟鄮r、粉砂巖,上覆基巖屬于中硬巖類,主要為中-細(xì)粒砂巖,具體如圖1 所示。

圖1 31101工作面煤層柱狀圖

3 大采高工作面局部煤壁片幫形式

由于工作面煤層開采擾動(dòng),煤體內(nèi)原生裂隙、次生裂隙的相互貫通,最終將表現(xiàn)出宏觀的煤壁片幫。根據(jù)煤體內(nèi)原生裂隙以及次生裂隙的擴(kuò)展方向、角度、尺寸等不同,最終煤壁片幫的形態(tài)也各不相同[11]。通過對(duì)31101大采高工作面推進(jìn)過程中煤壁片幫特征的實(shí)測(cè),其主要的片幫形態(tài)如圖2所示。

圖2 煤壁片幫形態(tài)統(tǒng)計(jì)

工作面推進(jìn)過程中,煤壁以上述5種片幫形式為主。其中圖2(a)為煤壁剪切滑移破壞,該片幫形式出現(xiàn)次數(shù)較多,約占片幫統(tǒng)計(jì)的25%,尤其在煤壁原生節(jié)理、裂隙發(fā)育位置處,煤體強(qiáng)度較低處較為嚴(yán)重;圖2(b)為煤壁拉裂破壞,該片幫形式出現(xiàn)次數(shù)略少,約占片幫統(tǒng)計(jì)的8%,常出現(xiàn)在煤壁原生節(jié)理、裂隙欠發(fā)育位置處,煤體強(qiáng)度較高、中硬位置處,煤壁脆性較高;圖2(c)為煤壁壓裂破壞,該片幫形式出現(xiàn)次數(shù)較少,約占片幫統(tǒng)計(jì)的5%,當(dāng)工作面來壓期間,煤壁承受較大頂板壓力時(shí),呈現(xiàn)該片幫形式,多表現(xiàn)為煤壁中上部片幫,也會(huì)伴隨煤壁下部局部區(qū)域片幫;圖2(d)為煤壁板裂破壞,類似為“洋蔥撥皮”,該片幫形式出現(xiàn)次數(shù)更少,約占片幫統(tǒng)計(jì)的2%,呈現(xiàn)層狀剝離的張拉破壞,尤其在煤壁節(jié)理發(fā)育程度較好、垂直貫穿整個(gè)煤壁且層理欠發(fā)育、煤壁中硬位置處,煤壁以該形式整體片幫;圖2(e)為煤壁煤剪切滑移誘發(fā)整體破壞,該片幫形式出現(xiàn)次數(shù)最多,約占片幫統(tǒng)計(jì)的60%,主要為煤壁中上部發(fā)生剪切滑移破壞后誘發(fā)下部破裂,煤壁整體片幫嚴(yán)重。

4 大采高工作面局部煤壁破壞數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值模型建立

建立如圖3所示的大采高工作面開采數(shù)值模型,模型長(X)×寬(Y)×高(Z)為180 m×20 m×65 m,由于計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制,模型寬度設(shè)為20 m,工作面沿走向(X方向)推進(jìn)100 m,兩端各留設(shè)40 m的煤柱消除邊界效應(yīng),從而研究工作面局部煤壁破壞特征。模型四周及底部固定邊界約束,限制位移及速度均為0,模型頂部施加5.25 MPa的等效載荷以模擬上覆巖層的重量。

圖3 數(shù)值模型

4.2 工作面推進(jìn)過程中煤壁位移分布特征

隨著工作面向前推進(jìn),在采動(dòng)影響下煤壁破壞程度逐漸加劇,煤壁位移分布特征明顯。如圖4所示,當(dāng)工作面推進(jìn)10 m時(shí),煤壁水平位移較小,最大位移位于煤壁上部,最大值約為0.11 m;當(dāng)工作面推進(jìn)20 m時(shí),煤壁水平位移最大值增大至0.31 m,同時(shí)最大位移分布位置也擴(kuò)展至煤壁中上部;當(dāng)工作面推進(jìn)30 m時(shí),煤壁水平位移最大值增大至0.47 m,此時(shí)的最大位移分布位置在煤壁中上部不斷擴(kuò)展,大約占據(jù)采高的3/4,同時(shí)煤壁位移值大于0.1 m的分布深度約為1.5 m;當(dāng)工作面推進(jìn)40 m時(shí),煤壁水平位移最大值增大至0.54 m,此時(shí)煤壁最大位移分布位置基本上占據(jù)整個(gè)煤壁,且煤壁位移值大于0.1 m的分布深度約延伸至2.2 m;當(dāng)工作面推進(jìn)50 m、60 m時(shí),煤壁水平位移最大值分別增大至0.73 m和0.89 m,此時(shí)煤壁位移分布較大,煤壁位移值大于0.1 m的分布深度明顯向煤壁深處延伸,最大位移分布深度仍以工作面中上部為主。

圖4 工作面推進(jìn)過程中煤壁水平位移分布云圖

根據(jù)煤壁水平位移分布云圖可以得知,隨著工作面向前推進(jìn),采動(dòng)影響下煤壁水平位移值不斷增大,較大水平位移分布范圍不斷向煤壁深處延伸。工作面受采動(dòng)影響,煤壁較大水平位移分布位置由上部不斷向中部、下部延伸,最終呈現(xiàn)出最大水平位移的貫穿式分布,另外煤壁較大水平位移分布位置以工作面中上部為主,約占據(jù)采高的3/4。

4.3 工作面推進(jìn)過程中煤壁破壞特征

為進(jìn)一步探究工作面推進(jìn)過程中煤壁沿傾向(Y方向)、走向(X方向)不同位置處煤壁局部破壞特征,沿走向在Y=10 m的位置處對(duì)開采過程進(jìn)行切片,具體如圖5所示。另外,根據(jù)圖4煤壁水平位移,若煤壁位移大于0.3 m,除變形較大外,并定會(huì)發(fā)生片幫,因此沿傾向分別在X=49.7 m、X=59.7 m、X=69.7 m、X=79.7 m、X=89.7 m和X=99.7 m處進(jìn)行切片,獲得工作面片幫煤體。

圖5 煤壁沿走向破壞特征

圖6所示為煤壁片幫情況,當(dāng)工作面推進(jìn)10 m時(shí),受初始采動(dòng)影響較小煤壁完整性較好,幾乎未發(fā)生破壞;當(dāng)工作面推進(jìn)20 m時(shí),煤壁中上部開始發(fā)生一定程度的變形,并在煤壁中產(chǎn)生了眾多裂隙,此時(shí)煤壁未發(fā)生破壞或者片幫;當(dāng)工作面推進(jìn)30 m時(shí),煤壁從上部發(fā)生片幫,其片幫形態(tài)類似圖2(a)的剪切滑移破壞;當(dāng)工作面推進(jìn)40 m時(shí),采動(dòng)影響下煤壁片幫程度加劇,其片幫貫穿整個(gè)煤壁,且嚴(yán)重片幫范圍大約占據(jù)采高的3/4,形態(tài)類似圖2(e)的剪切滑移誘發(fā)整體破壞和圖2(c)的壓裂破壞;當(dāng)工作面推進(jìn)50 m時(shí),煤壁破壞以中上部為主,同時(shí)下部也伴隨著一定程度的破壞,其破壞形態(tài)類似圖2(e);當(dāng)工作面推進(jìn)60 m時(shí),煤壁破壞以中上部為主,破壞程度大、范圍廣,且在中部破壞深度較大,其破壞形態(tài)類似圖2(b)拉裂破壞。

圖6 煤壁片幫情況

5 大采高煤壁片幫影響因素及其控制

5.1 大采高工作面煤壁片幫影響因素

基于對(duì)31101工作面煤壁片幫的統(tǒng)計(jì),總結(jié)出該工作面煤壁片幫的影響因素可分為外因作用力、工作面布置參數(shù)以及工作面煤層狀況三個(gè)方面,其中煤壁外因作用力包括煤壁頂板壓力、支架支護(hù)強(qiáng)度、護(hù)幫板作用力、煤壁加固支護(hù)力等4個(gè)因素;工作面布置參數(shù)主要包括工作面長度、工作面推進(jìn)速度、工作面采高等3個(gè)因素;工作面煤層狀況主要包括煤體力學(xué)參數(shù)(煤體內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等)、煤體節(jié)理裂隙、煤層夾矸、煤層埋深等4個(gè)因素[12]。

1) 煤壁外因作用力

(1)煤壁頂板壓力:煤層開采后,往往會(huì)在工作面前方煤壁處形成較大的支承壓力,形成應(yīng)力增高區(qū),且支承壓力峰值正位于實(shí)煤體上。該支承壓力正是由于煤層開采后,煤壁一側(cè)幾乎支撐著整個(gè)回采空間上方的懸露巖層大部分重量,當(dāng)煤壁處頂板壓力達(dá)到煤體強(qiáng)度極限時(shí),煤壁將開始發(fā)生破壞,最終發(fā)生片幫。

(2)支架支護(hù)強(qiáng)度:根據(jù)工作面“煤壁-頂板-支架”力學(xué)體系[13]可以得知,工作面上方砌體梁結(jié)構(gòu)以及上覆巖層的載荷將會(huì)由煤壁、支架以及垮落矸石一起承擔(dān)。然而開采后的上覆巖層形成的“大結(jié)構(gòu)”由“煤壁-已冒落矸石”承擔(dān),只有下位巖層的“小結(jié)構(gòu)”將由“煤壁-支架-采空區(qū)冒落矸石”承擔(dān)。因此,當(dāng)支架支護(hù)強(qiáng)度降低或失效時(shí),煤壁承擔(dān)的載荷將會(huì)有所增大,易誘發(fā)煤壁片幫。

(3)護(hù)幫板作用力:支架護(hù)幫板作用力對(duì)煤壁的支護(hù)作用相對(duì)而言較弱,它是對(duì)煤壁產(chǎn)生水平方向上的作用力。當(dāng)煤壁發(fā)生剪切滑移破壞或煤壁整體(包括中下部)發(fā)生片幫時(shí),支架護(hù)幫板作用效果將很有限。然而,當(dāng)煤壁發(fā)生破壞后,片幫冒落時(shí),支架護(hù)幫板對(duì)冒落體的滑移、凸出具有一定的控制作用,避免瞬間冒落。

(4)煤壁加固支護(hù)力:針對(duì)煤層開采過程中誘發(fā)煤壁片幫、端面冒頂,致使工作面災(zāi)變。通過木錨桿、玻璃鋼錨桿、柔性加固等技術(shù)對(duì)煤壁失穩(wěn)進(jìn)行控制。

2) 工作面布置參數(shù)

(1)工作面長度:一般情況下煤壁穩(wěn)定性與工作面長度呈正相關(guān),工作面較長時(shí),煤壁破壞幾率會(huì)越大,且破壞程度越嚴(yán)重[14]。另外,較長的工作面針對(duì)支架的維護(hù)、穩(wěn)定性也有了較高的要求,以及通過影響工作面推進(jìn)速度來影響煤壁穩(wěn)定性。

(2)工作面推進(jìn)速度:頂板下沉量、煤壁變形量均與時(shí)間相關(guān),當(dāng)工作面推進(jìn)速度較慢時(shí),煤壁長時(shí)間處于較大壓力下,極易出現(xiàn)端面冒頂、煤壁片幫等不良礦山壓力現(xiàn)象,而當(dāng)加快工作面推進(jìn)速度,煤壁變形及片幫狀況會(huì)有所好轉(zhuǎn)。

(3)工作面采高:當(dāng)采高較大時(shí),直接頂垮落很難完全充填采空區(qū),且在同樣位置處的基本頂很難形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),巖梁取得平衡的可能性較小,因而在較大的支承壓力作用下煤壁穩(wěn)定性較差,易發(fā)生片幫;其次,較大的采高,煤壁會(huì)存在較大的自由面且處于較大的自由空間,同時(shí)支架護(hù)幫板作用效果將會(huì)受限,易發(fā)生煤壁片幫。

3) 工作面煤層狀況

(1)煤體力學(xué)參數(shù):煤體力學(xué)參數(shù)包括煤體內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等時(shí)煤壁失穩(wěn)片幫的最大內(nèi)因,當(dāng)煤體力學(xué)參數(shù)保持較大水平時(shí),煤壁承載能力越強(qiáng),煤壁穩(wěn)定性越好。

(2)煤體節(jié)理裂隙:煤層原生節(jié)理裂隙或采動(dòng)裂隙較為發(fā)育時(shí),極大地降低了煤體強(qiáng)度,破壞了煤體完整性,尤其煤壁中存在的垂直裂隙或節(jié)理,在一定的頂板壓力下將極易導(dǎo)致煤壁片幫。

(3)煤層夾矸:煤層夾矸對(duì)煤壁穩(wěn)定性也有一定的影響,首先夾矸的存在破壞了煤層的完整性,尤其煤層中存在軟弱夾矸,煤壁極易從軟弱夾矸處首先發(fā)生破壞,發(fā)生煤壁片幫。但是當(dāng)煤層中夾矸強(qiáng)度較大,為堅(jiān)硬夾矸時(shí),將會(huì)在一定程度上增強(qiáng)煤壁整體穩(wěn)定性[15]。

(4)煤層埋深:煤層埋深將直接影響到原巖應(yīng)力的大小,同時(shí)也影響著煤層開采過程中煤壁前方支承壓力值。隨著煤層埋深的增大,煤壁處支承壓力必然增大,從而導(dǎo)致煤壁片幫的幾率也會(huì)增加。

5.2 大采高工作面煤壁穩(wěn)定性控制

針對(duì)大采高工作面煤壁片幫的主要影響因素的分析,可以將眾多影響因素劃分為直接可控因素、間接可控因素以及不可控因素[16],其中不可控因素包括煤體節(jié)理裂隙、煤層夾矸、煤層埋深。因此,可以從直接可控因素和間接可控因素出發(fā),對(duì)煤壁穩(wěn)定性進(jìn)行控制。

1) 直接可控因素

直接可控因素主要包括:支架支護(hù)強(qiáng)度、護(hù)幫板作用力、煤壁加固支護(hù)力、工作面長度、工作面推進(jìn)速度和工作面采高。針對(duì)31101大采高工作面煤壁片幫主要發(fā)生在工作面中上部3/4位置處,因此通過提高支架工作阻力,可以有效降低作用在煤壁上的頂板壓力,分擔(dān)煤壁所受載荷;通過提高支架護(hù)幫板作用力、加大護(hù)幫板長度,可以在一定程度上對(duì)煤壁產(chǎn)生水平支撐力,降低煤壁片幫程度;通過木錨桿、玻璃鋼錨桿、柔性加固等技術(shù)對(duì)煤壁中上部3/4處進(jìn)行加固,使其產(chǎn)生有效的支護(hù)力,增加煤壁整體穩(wěn)定性;加快工作面推進(jìn)速度,另外在保障生產(chǎn)效率和產(chǎn)量的前提下,適當(dāng)?shù)乜刂乒ぷ髅骈L度和采高,將會(huì)降低煤壁片幫的范圍和概率。

2) 間接可控因素

間接可控因素主要包括:煤壁頂板壓力、煤體力學(xué)參數(shù)和煤層傾角。通過提高支架工作阻力,可以間接地降低煤壁頂板壓力,提高煤壁穩(wěn)定性;通過煤壁注水、注漿等手段改變煤體力學(xué)參數(shù),從而提高煤壁整體穩(wěn)定性。另外,針對(duì)大傾角大采高工作面,通過工作面?zhèn)涡辈贾?調(diào)整工作面布置傾角,降低工作面圍巖失穩(wěn)、煤壁片幫風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)論

(1)大采高工作面煤壁片幫形態(tài)主要為煤壁煤剪切滑移誘發(fā)整體破壞、煤壁剪切滑移破壞、煤壁拉裂破壞、煤壁壓裂破壞以及煤壁板裂破壞,且各破壞形態(tài)在實(shí)際開采過程中出現(xiàn)的頻率依次較小。

(2)采動(dòng)影響下煤壁水平位移值不斷增大,較大水平位移分布和片幫范圍不斷向煤壁深處延伸。同時(shí)煤壁較大水平位移分布和片幫位置以工作面中上部為主,大約占據(jù)煤壁整體的3/4,且由上部不斷蔓延至中下部,最終貫穿整個(gè)煤壁。大采高煤壁片幫呈現(xiàn)程度大、范圍廣、深度大的特點(diǎn)。

(3)從外因作用力、工作面布置參數(shù)以及工作面煤層狀況三個(gè)方面總結(jié)并分析了大采高工作面煤壁片幫的12個(gè)主要影響因素,將其劃分為直接可控因素、間接可控因素以及不可控因素,并分別從直接可控因素和間接可控因素角度提出大采高工作面煤壁穩(wěn)定性控制手段。