煤壁片幫機(jī)理研究及其防治措施

徐亞軍

(1.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院，北京 100013)

煤壁片幫機(jī)理研究及其防治措施

徐亞軍1，2

(1.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院，北京 100013)

基于壓桿模型研究不同約束條件下煤壁失穩(wěn)形式，得出軟弱煤層易發(fā)生滑移失穩(wěn)、硬和中硬煤層多發(fā)生彎曲失穩(wěn)的結(jié)論。采用平衡微分方程研究了煤壁片幫機(jī)理，結(jié)果表明：滑移失穩(wěn)主要源于剪切破壞，彎曲失穩(wěn)則與潰屈破壞有關(guān)，防止煤壁片幫的關(guān)鍵措施在于減小煤壁上方壓力和增強(qiáng)煤巖界面約束條件。提高液壓支架工作阻力可以減小煤壁上方壓力，設(shè)置護(hù)幫板可以限制煤壁位移，而注水和注漿等方法可以增強(qiáng)煤體性質(zhì)?；诖颂岢隽恕皬?qiáng)支承”、“穩(wěn)底”、“上護(hù)”和“變性”等具體的防片幫措施與方法，并對(duì)護(hù)幫板受力形式進(jìn)行了研究，給出了相對(duì)合理的護(hù)幫機(jī)構(gòu)。

液壓支架；煤壁片幫；穩(wěn)定性；強(qiáng)度耦合

煤壁片幫是綜采工作面尤其是大采高工作面經(jīng)常遇到的開(kāi)采難題。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛深入的研究。文獻(xiàn)[1]采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究，認(rèn)為煤層節(jié)理裂隙發(fā)育及結(jié)構(gòu)面分布特征是影響煤壁片幫的主要因素。文獻(xiàn)[2]分析了極軟煤層片幫與防治措施，認(rèn)為減緩煤壁壓力和提高煤體抗剪強(qiáng)度是根治極軟煤層煤壁片幫的主要技術(shù)途徑。文獻(xiàn)[3]采用壓桿模型研究了大采高綜采面煤壁片幫特征，得出了完整性較好的中硬煤壁容易在煤層中上部發(fā)生片幫的結(jié)論。文獻(xiàn)[4]采用滑動(dòng)體力學(xué)模型研究了綜放工作面煤壁片幫特性，認(rèn)為煤壁中存在圓弧狀“滑動(dòng)面”，控制煤壁穩(wěn)定的關(guān)鍵在于控制“滑動(dòng)面”的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[5]采用三維有限元離散方法研究了不同采高、不同采深、不同煤體硬度條件下煤壁片幫規(guī)律。文獻(xiàn)[6]研究了液壓支架不同護(hù)幫機(jī)構(gòu)的防片幫效果，認(rèn)為采用伸縮梁和護(hù)幫板分體式護(hù)幫結(jié)構(gòu)可以延緩煤壁破壞時(shí)間，防片幫效果較好。文獻(xiàn)[7]通過(guò)采場(chǎng)煤壁“楔形”滑動(dòng)體力學(xué)模型，分析了“三軟”煤層大采高綜采面煤壁片幫特征。文獻(xiàn)[8]采用壓桿模型研究了煤層硬夾矸對(duì)大采高工作面煤壁穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明煤體高度越大，煤壁越易失穩(wěn)。文獻(xiàn)[9]分析了頂板壓力對(duì)煤壁的影響，認(rèn)為煤壁上的頂板壓力是影響煤壁片幫的主要因素，提出了保持煤壁穩(wěn)定的液壓支架工作阻力確定方法。不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的研究主要依據(jù)片幫形式不同分別建立模型來(lái)研究煤壁片幫特性，對(duì)于“軟煤”和“硬煤”這兩種不同性質(zhì)的煤體片幫機(jī)理究竟有何不同則沒(méi)有給出清晰的理論解釋?zhuān)虼擞斜匾獙?duì)其進(jìn)行研究。本文基于壓桿模型研究了不同約束條件下煤壁失穩(wěn)形式，在此基礎(chǔ)上，提出了一些針對(duì)性的防治措施，以期為工作面安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 煤壁失穩(wěn)形式與片幫機(jī)理

1.1 煤壁失穩(wěn)形式

從理論上講，煤壁片幫是指煤壁失去了保持平衡形態(tài)的能力，是一種失穩(wěn)表現(xiàn)。為此將煤壁簡(jiǎn)化為壓桿，研究其在不同約束條件下的失穩(wěn)形式。壓桿模型如圖1所示。

1.1.1 下部鉸支，頂部彈性支座

圖1 壓桿模型

(1)

式(1)通解為：

v(x)=c0+c1x+c2xcosα+c3xsinα

(2)

將邊界條件v(0)=v″(0)=v″(h)=0，T(h)=Kv(h)代入式(2)，得穩(wěn)定方程[10]：Kh-T=0或hsinα=0。Kh-T=0時(shí)，發(fā)生滑移失穩(wěn)；hsinα=0時(shí)，即載荷為T(mén)=π2EI/h2時(shí)，發(fā)生彎曲失穩(wěn)。彈性支座臨界剛度為Ke=π2EI/h3。易知，KKe時(shí)，煤壁發(fā)生彎曲失穩(wěn)。由于臨界剛度與煤體彈性模量成正比，易知硬度較小的軟弱煤層易發(fā)生滑移失穩(wěn)，而硬度較大的硬煤或中硬煤層則多出現(xiàn)彎曲(潰屈)失穩(wěn)。又由于臨界剛度與煤層厚度的三次方倒數(shù)成正比，易知隨著采高的增大，煤壁發(fā)生滑移失穩(wěn)的幾率也隨之加大。

1.1.2 下部固定，頂部鉸支

文獻(xiàn)[3]分析了煤壁下部剛性固定、頂部鉸支壓桿模型，當(dāng)?shù)撞渴芤欢刈饔脮r(shí)煤壁失穩(wěn)特性。由于煤壁底部的力矩不易量化界定，下文將研究煤壁底部沒(méi)有力矩作用時(shí)的煤壁失穩(wěn)特性。若煤壁上部水平位移受限，則可將其視為鉸支座(圖2)。若刮板輸送機(jī)緊抵煤壁，將煤壁下部視為固支端，在超前壓力T作用下煤壁穩(wěn)定微分方程如式(1)所示。將邊界條件v(0)=v′(0)=0，v(h)=v″(h)=0代入式(2)，得穩(wěn)定方程為[11-13]：htanα=αh。kh最小值為4.493，撓曲線方程為：v(x)=-4.493c3[x/h+0.98sin(4.493x/h-77.5°)-1]。當(dāng)4.493x/h=2kπ+3.15時(shí)，上式有最大值。k=0，得x=0.7h。易知距離底板0.7h位置處煤壁變形量最大，說(shuō)明下部固支上部鉸支的煤壁在距離頂板0.3倍采高處容易失穩(wěn)。

圖2 壓桿模型

1.1.3 下部固定，頂部彈性支座

若煤壁下部固定，上部為剛度為km的彈性支座，得圖3所示模型。其微分方程和通解與式(1)、(2)一致。將邊界條件v(0)=v′(0)=v″(h)=0和v(h)=δ代入式(2)，結(jié)合端部條件c1T=kmv(h)=kmδ，得煤壁穩(wěn)定條件[12-14]：kmhαhcosα-kmhsinα-Tαhcosα=0。若km=0，穩(wěn)定方程為hcosα=0，臨界載荷為T(mén)=π2EI/(2h)2。易知，若煤層與上部頂板巖層為沒(méi)有約束的自由面，其承載能力最小且變形量最大。若hcosα≠0，則式(5)轉(zhuǎn)換為：htanα=αh-(αh)3EI/kmh3。當(dāng)km=∞時(shí)，穩(wěn)定方程為：htanα=αh，轉(zhuǎn)化為一端固定一端鉸支的壓桿模型，由前面論述可知，這時(shí)煤壁在x=0.7h位置處變形量最大。說(shuō)明當(dāng)煤壁下部固定時(shí)，煤壁失穩(wěn)位置由上部的煤巖界面處向下部擴(kuò)展，最大變形位置在距離頂板0.3h位置。顯然，護(hù)幫板的最小長(zhǎng)度應(yīng)不小于采高的0.3倍。

圖3 壓桿模型

綜上，在上覆巖層壓力的作用下，當(dāng)煤壁下部有一定約束時(shí)，煤壁中上部容易失穩(wěn)。其中，軟弱煤層易發(fā)生滑移失穩(wěn)，隨著煤體硬度的增大，其失穩(wěn)方式逐漸向彎曲失穩(wěn)轉(zhuǎn)化。加強(qiáng)煤層下部穩(wěn)定性，對(duì)提高煤壁穩(wěn)定性有一定作用。實(shí)際觀測(cè)結(jié)果表明[15]，軟煤片幫位置90%的幾率出現(xiàn)在煤壁上方煤巖界面頂板位置處，而硬和中硬煤層煤壁片幫的位置多出現(xiàn)在煤壁中上部，理論結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。

1.2 煤壁失穩(wěn)機(jī)理

由摩爾-庫(kù)侖定律可知，剪切破壞是煤體等脆性材料的主要破壞形式，破壞面上的剪切應(yīng)力τ與法向應(yīng)力σ滿足τ=C+σtanφ。剪切破壞的過(guò)程是黏聚力先破壞喪失，然后摩擦力開(kāi)始發(fā)揮作用的過(guò)程[16]?？梢宰C明當(dāng)煤壁中煤體處于彈性極限平衡時(shí)，若不考慮構(gòu)造應(yīng)力影響，理想狀態(tài)的煤壁內(nèi)部水平剪應(yīng)力大小與中性面距離成正比關(guān)系，其受力狀態(tài)如圖4所示。

圖4 剪應(yīng)力示意

圖5 計(jì)算模型

(3)

(4)

2 防止煤壁失穩(wěn)的主要方法與措施

2.1 液壓支架支撐力對(duì)煤壁失穩(wěn)的影響

對(duì)煤壁穩(wěn)定性影響最大的外部因素主要有頂板壓力和約束條件。其中，頂板壓力是煤壁破壞的主要原因，因此要防止煤壁片幫，關(guān)鍵在于減小煤壁上方頂板壓力。研究表明[22-23]，液壓支架工作阻力與頂板載荷及煤壁超前壓力的強(qiáng)度耦合公式為

(5)

圖6 液壓支架支護(hù)示意

性模量Ec為3.5GPa，頂板巖層彈性模型E為50GPa，當(dāng)液壓支架支護(hù)強(qiáng)度分別為0.7MPa和1.2MPa時(shí)，煤壁超前壓力曲線如圖7所示。易知，在其他條件不變的情況下，提高液壓支架支護(hù)阻力，能夠降低煤壁上方壓力。換言之，提高支架支護(hù)強(qiáng)度和工作阻力，在一定程度上，可以有效緩解煤壁片幫。

圖7 煤壁超前壓力曲線

2.2 護(hù)幫板對(duì)煤壁失穩(wěn)的影響

由前面論述可知，煤壁中上部最容易失穩(wěn)，特別是當(dāng)煤層上部處于沒(méi)有護(hù)幫作用的自由狀態(tài)時(shí)，其承受力僅相當(dāng)于兩端鉸支壓桿承載力的1/4，因而防止煤壁片幫最有效的方法是約束煤壁中上部位移。目前主要通過(guò)在頂梁上設(shè)置護(hù)幫板來(lái)達(dá)到上述目的。護(hù)幫板的設(shè)置主要考慮兩方面因素，一是能夠在煤層上方的煤巖界面處提供約束，限制其水平位移；再就是護(hù)幫板長(zhǎng)度應(yīng)不小于最大采高的0.3倍。圖8為幾種常用的護(hù)幫結(jié)構(gòu)。圖8(a)為整體頂梁帶一級(jí)護(hù)幫機(jī)構(gòu)，該護(hù)幫與煤壁為點(diǎn)接觸，同時(shí)不能給煤巖界面施加約束，護(hù)幫效果較差。圖8(b)為整體頂梁帶二級(jí)護(hù)幫機(jī)構(gòu)，護(hù)幫板與煤壁為面接觸，但沒(méi)有給煤巖界面施加約束，護(hù)幫效果不理想。圖8(c)為頂梁帶伸縮梁和二級(jí)護(hù)幫機(jī)構(gòu)，護(hù)幫機(jī)構(gòu)固定在伸縮梁上，隨伸縮梁一起運(yùn)動(dòng)，護(hù)幫效果同圖8(b)一樣。圖8(d)為伸縮梁帶護(hù)幫機(jī)構(gòu)，特點(diǎn)是伸縮梁與護(hù)幫板分開(kāi)動(dòng)作，伸縮梁能夠給煤巖界面施加約束，護(hù)幫效果最理想。

圖8 護(hù)幫板結(jié)構(gòu)示意

圖9 護(hù)幫板對(duì)煤壁線性載荷分布形式

2.3 煤體性質(zhì)對(duì)煤壁失穩(wěn)的影響

3 應(yīng)用實(shí)例

陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司5-2主采煤層為中厚—特厚煤層，層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層厚度1.15～9.30m，平均厚度5.87m。煤層埋深50～150m。其中，25201～25206工作面煤層厚度為5～7.9m，平均厚度6.2m。煤層堅(jiān)固性系數(shù)f=1.7～2.5。頂板巖性以細(xì)粒砂巖為主，局部為粉砂巖、中粒砂巖，厚度1.60～32.00m，偶見(jiàn)薄層泥巖、炭質(zhì)泥巖偽頂。底板巖性以粉砂巖，細(xì)粒砂巖次之，厚度0.65～14.75m，偶見(jiàn)薄層泥巖、砂質(zhì)泥巖底板。

該采區(qū)最早采用ZY12000/28/63型液壓支架，最大采高6.1m，由于支架支護(hù)強(qiáng)度較低，工作面經(jīng)常出現(xiàn)煤壁片幫[28]。自2010年以來(lái)，工作面開(kāi)始采用ZY17000/32/70D型大采高液壓支架(圖10)，支護(hù)強(qiáng)度1.41～1.47MPa，采用伸縮梁和護(hù)幫板分開(kāi)動(dòng)作的護(hù)幫機(jī)構(gòu)，有效護(hù)幫長(zhǎng)度3.175m，為最大采高6.8m的0.46倍。實(shí)踐證明，由于液壓支架工作阻力較大，加之護(hù)幫結(jié)構(gòu)合理，在實(shí)際開(kāi)采中很少出現(xiàn)煤壁片幫現(xiàn)象，在一定程度上驗(yàn)證了本文結(jié)果的正確性。

圖10 支架實(shí)物圖片

4 結(jié) 論

(1)煤壁片幫是煤層失穩(wěn)的表現(xiàn)形式，與超前壓力、煤體性質(zhì)、邊界條件密切相關(guān)。煤壁失穩(wěn)分為滑移失穩(wěn)和彎曲失穩(wěn)兩種類(lèi)型，軟弱煤層易發(fā)生滑移失穩(wěn)，硬或中硬煤層多發(fā)生彎曲失穩(wěn)。隨著采高的加大，煤壁發(fā)生滑移失穩(wěn)的幾率也隨之加大。理想狀態(tài)的煤壁水平剪應(yīng)力大小與中性面距離成正比，滑移失穩(wěn)主要是剪切破壞所致，彎曲失穩(wěn)則與潰屈破壞有關(guān)。

(2)可以采用“強(qiáng)支承、穩(wěn)底、上護(hù)和變性”等方法來(lái)防止煤壁片幫，即通過(guò)加大液壓支架工作阻力適當(dāng)減小煤壁超前壓力、采用護(hù)幫板增加煤巖界面約束條件同時(shí)控制煤壁位移、通過(guò)注水和注漿等改變煤體性質(zhì)等強(qiáng)化措施增強(qiáng)煤體整體性能，實(shí)踐證明，綜合運(yùn)用上述方法和措施可以有效緩解煤壁片幫。

(3)護(hù)幫板對(duì)煤壁作用的線性載荷以三角形或梯形分布較為合理。伸縮梁和護(hù)幫板分開(kāi)動(dòng)作的護(hù)幫機(jī)構(gòu)，既能增強(qiáng)煤巖邊界約束條件，又可以限制煤層水平位移，護(hù)幫效果比較理想。

[1]弓培林.大采高采場(chǎng)圍巖控制理論及應(yīng)用研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2006.

[2]王家臣.極軟厚煤層煤壁片幫與防治機(jī)理[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(8)：785-788.

[3]尹希文，閆少宏，安 宇.大采高綜采面煤壁片幫特征分析與應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008，25(2)：222-225.

[4]方新秋,何 杰,李海潮.軟煤綜放頂煤壁片幫機(jī)理及防治研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，38(5)：640-644.

[5]宋振騏，梁盛開(kāi)，湯建泉，等.綜采工作面煤壁片幫影響因素研究[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011，26(1)：1-4.

[6]張銀亮,劉俊峰,龐義輝,等.液壓支架護(hù)幫機(jī)構(gòu)防片幫效果分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(4)：691-695.

[7]袁 永,屠世浩,馬小濤,等.“三軟”大采高綜采面煤壁穩(wěn)定性及其控制研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012，29(1)：21-25.

[8]楊敬軒,劉長(zhǎng)友,吳鋒鋒,等.煤層硬夾矸對(duì)大采高工作面煤壁穩(wěn)定性影響機(jī)理研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2013,30(6)：856-862.

[9]王家臣,王 蕾,郭 堯.基于頂板與煤壁控制的支架阻力的確定[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(8)：1619-1624.

[10]吳 梵,朱 錫，梅志遠(yuǎn).船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

[11]S.P.鐵摩辛柯，J.M.蓋萊.彈性穩(wěn)定理論[M].北京：科學(xué)出版社,1965.

[12]李存權(quán).結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和穩(wěn)定內(nèi)力[M].北京：人民交通出版社,2000.

[13]陳 驥.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社,2001.

[14]周承倜.彈性穩(wěn)定理論[M].成都：四川人民出版社,1981.

[15]袁 永，屠世浩，馬小濤，等.“三軟”大采高綜采面煤壁穩(wěn)定性及其控制研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012，29(1)：21-22.

[16]沈珠江.巖土破損力學(xué):理想脆彈塑性模型[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2003(3)：253-257.

[17]侯朝炯,馬念杰.煤層巷道兩幫煤體應(yīng)力和極限平衡區(qū)的探討[J].煤炭學(xué)報(bào)，1989(4)：21-29.

[18]徐亞軍.兩柱掩護(hù)式液壓支架與圍巖耦合關(guān)系研究與相關(guān)參數(shù)優(yōu)化[D].北京：煤炭科學(xué)研究總院，2013.

[19]張年學(xué)，盛祝平，李 曉，等.巖石泊松比與內(nèi)摩擦角的關(guān)系研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(S1)：2599-2609.

[20]李建國(guó)，田取珍，楊雙鎖.河灘溝煤礦綜放面煤壁片幫機(jī)理及其控制[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2003，31(12)：73-75.

[21]孫廣忠.論巖體力學(xué)模型[J].地質(zhì)科學(xué)，1984(4)：423-428.[22]史元偉.采煤工作面圍巖控制原理和技術(shù)(上)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[23]徐亞軍.液壓支架與工作面頂板耦合分析[J].煤礦開(kāi)采，2015，20(3)：39-42.

[24]徐亞軍.液壓支架頂梁外載作用位置理論研究與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，43 (7)：102-106.

[25]王國(guó)法，史元偉，陳忠恕，等.液壓支架技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1999.

[26]趙彭年.松散介質(zhì)力學(xué)[M].北京：地震出版社，1995.

[27]王家臣，楊印朝，孔德中，等.含夾矸厚煤層大采高仰采煤壁破壞機(jī)理與注漿加固技術(shù)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2014，31(6)：831-836.

[28]王 蓬.紅柳林煤礦S1501工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析[A].西部礦山建設(shè)工程理論與實(shí)踐[C].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[責(zé)任編輯：鄒正立]

Coal Wall Spalling Mechanism Studying and It’s Prevention Method

XU Ya-jun1，2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

Coal wall spalling form in different restrain condition based on compression bar were studied，then the conclusion that sliding instability would appeared in softness coal seam easily，and bend instability would appeared in harden and middle harden coal seam were obtained.The mechanism of coal wall spalling was studied by balance differential equation，the results showed that the reason of sliding instability was shear failure，failure bending failure was the source of bending instability，the key prevention method of coal wall spalling is decreased pressure of coal wall upper and strengthen restrain conditions between coal and rock interfaces.The pressure of coal wall upper could be decreased according to improve working resistance of hydraulic support，coal wall displacement could be restrained by face guard，the characters of coal body could be strengthened by water injection and grouting，the specify methods that ‘strengthen supporting’，‘floor stability’，‘upper protection’ and ‘ characters change’ were put forward，the force state of face guard was studied，then reasonable face guard structure was provided.

hydraulic support；coal wall spalling；stability；strength coupling

2016-07-05

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.01.010

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2014CB046302)：深部圍巖自適應(yīng)支護(hù)原理及系統(tǒng)創(chuàng)新理論；天地科技工藝技術(shù)創(chuàng)新基金(KJ-2014-TDKC-06)：Q890～Q1100高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接性能研究；天地科技公司研發(fā)項(xiàng)目(KJ-2014-TDKC-03)：8m超大采高綜采總體配套模式與關(guān)鍵技術(shù)可行性研究。

徐亞軍(1971-)，男，安徽樅陽(yáng)人，研究員，博士，主要從事液壓支架設(shè)計(jì)研究工作。

徐亞軍.煤壁片幫機(jī)理研究及其防治措施[J].煤礦開(kāi)采，2017，22(1)：41-46.

TD355.4

A

1006-6225(2017)01-0041-06