1、专题部分大采高综采工作面煤壁片帮控制技术摘要：为控制大采高综采工作面煤壁片帮，通过理论分析等研究方法，研究了大采高综采工作面煤壁片帮机理和塑性区的分布，并总结了煤壁片帮的危害，以及建立研究煤壁片帮机理的力学模型。对不同采高、不同支架工作阻力以及不同煤层强度等因素下煤壁的片帮情况、片帮规律进行研究分析，为以后的大采高综采工作面的煤壁片帮控制提供有利的依据以及经验。关键词：煤壁片帮机理 塑性区 力学模型1引言目前，我国回采厚煤层的方法有:分层开采、放顶煤开采以及大采高综采三种。分层开采法发展较早，理论也比较成熟，但是它与综放开采比起来，有很多缺点。综放开采要优于分层开采，在最近的20多年里，综放开
2、采得到了前所未有的发展，也产生过很多有研究价值的科学成果，在大采高技术尚未出现之前，综放开采一直被认为是一种最高效的采煤技术。然而这种采煤技术仍有很多缺点比如说:工作面的粉尘大、煤炭的回收低、自燃的危险性大等。因此他的应用受到了极大的限制。目前我国的阳泉、潞安、大同、晋城、邢台煤田等很多矿区都赋存有6m左右的厚煤层，在这样的厚煤层中到底要用什么样的采煤方法，一直都备受关注。大采高一般睛况下是指煤层开采厚度在3.5m以上的整层开采的方法。最近10多年里，大采高综采技术得到了迅速的发展，与分层开采和综放开采相比，其优势越来越明显。大采高综采与其它的回采力祛相比其特点主要在于，煤炭的回收率比较高。大
3、采高综采逐渐成为了回采厚煤层的主要方法之一。大采高综采也有其不足之处，加大采高，煤壁片帮的可能险也会相应的增大。煤壁的片帮是煤体在矿山压力的作用下，煤体破碎后滑塌下来的一种矿压显现现象。煤壁片帮严重不仅会影响到安全生产的正常进行，同时也会对采场内工人的人身安全造成严重的威胁。2煤壁片帮的危害影响正常生产的安全进行随着工作面采高的增大，煤壁片帮的程度也会加剧，片帮坍落下的煤砸到采场内的刮板输送机，刮板输送就会发生变形，从面影响其正常的使用。有时片帮落下的煤块较大时，无法顺利的通过采煤机，会影响其正常的生产。严重的威协到职工的人身安全工作面片帮坍落下的煤块有时会落入支架内的人行横道，这就会对职工的
4、人身安全造成极大的威协。尤其在煤壁受扰动的时候，如采煤机割煤、移架等时候煤壁更容易发生片帮，此时的采煤机司机和支架工很容易就受到伤害。恶化支架和围岩相互作用的关系煤壁发生片帮后，就会造成空顶距的增大，使得顶板的条件恶化，直接顶不能够很好起到传递上部荷载的作用，支架也就不能很好的起到支撑作用。支架的受力不均，很容易就引起支架的倾斜歪倒，进而造成支架的损坏，从而不能很好的发挥其作用，使得支架围岩关系恶化，再进一步引起顶板事故，如此周而复始形成恶性循环。使得大采高设备无法发挥其应有的潜力，同时也会对安全生产形成巨大隐患。言而总之，防治煤壁的片帮既能保证大采高工作面安全生产的正常进行，同时也是大采高工
5、作面实现高产高效从而获得经济效益的重要保障。要想弄清煤壁片帮的内在规律，就要对煤壁片帮的机理、塑性区的分布做出比较详细的分析，本文主要是以潘一矿某工作面为现场条件，运用理论分析和数值模拟相结合的方法来分析大采高工作面煤壁片帮的机理、煤壁塑胜区的分布规律等。3 煤壁片帮的影响因素影响煤壁片帮的因素很多，但是目前对煤壁片帮的影响因素研究的还是比较少的，下面主要是对采高、支架工作阻力、煤层强度、椎进速度、仰俯采等方面介绍其研究现状。采高对煤壁片帮影响的研究当工作面的采高增大时，顶板压力和超前的支承压力集中程度也就会相应增大，煤壁的片帮程度也会加剧。并且通过对梁宝寺矿2702工作面煤壁片帮情况的观测，
6、总结出了采高与煤壁片帮的内在关系。认为煤壁片帮与采高并不呈线胜关系，只有采高超过某一临界值时，煤壁的片帮才会加剧。煤壁片帮的深度c并不随着采高M的增加而呈线性增加，经过分析最终得出: （1）并且指出，当采高小于4m时，片帮的增长速度较缓，当采高大于4m时，片帮的增长速度陡增。通过观测，然后经过回规分析得出采高M与片帮深度c之间的关系近似为C=21.38InM一17.97。并月通过相互对比得到，当采高介于3.3m与3.85m之间时，片帮深度与采高成正比的关系，当采高超过3.85m时，片帮的深度逐渐趋于稳定。并且由此得出合理的采高应该大于3.85m。然后根据现场的晴况，现场的设备最终确定出合理采高
7、应该为4.0m。此时煤壁的片帮深度较小。支架的工作阻力对煤壁片帮影响的研究支架的支撑状态对煤壁片帮的影响很大，如果支架的工作阻力不足的话上覆岩层的压力就会向煤壁前力转移，使片帮进一步加剧。液压支架的初撑力也会造成煤壁的片帮，由于现场的乳化泵压低于实际的压力，造成支架实际上处于“等压”的状态，就在“等压”的时候，上覆岩层的压力早己被转移到前方的煤壁上，而使煤壁始终处在应力高峰区内，必然导致煤壁的片帮，同时由于支架并不处在高承压的状态之下，老顶切断的不及时，此时应力就会转移到煤壁上，进一步加剧煤壁的片帮。煤壁的片帮深度随支架工作阻力的增加呈减小趋势，煤壁片帮受支架工作阻力的影响是比较明显的，增大支
8、架的工作阻力，可以有效的防止片帮现象的发生。并且当支架的工作阻力达到50MP时片帮现象基本不再发生。采场上方顶板压力本来是由煤壁和支架一起承担的，但是当支架的支撑力不足时，支架就不能够很好地起到支撑顶板压力的作用，此时顶板的压力就会逐渐地煤壁方向转移，煤壁处于应力峰值区内，很容易发生片帮，并指出液压支架初撑力低有几方面的原因:l.泵站的压力达不到要求;2.支架工没有严格地按章程办事;3.支架的立柱或是活塞有损坏现象;4.支架没有处于最佳的支撑状态。一般来说，液压支架的最佳支撑状态是顶梁平行于顶板，而在实际通常达不到要求;5.液压支架的安全阀损坏或是卸载压力偏低。煤层强度对煤壁片帮影响的研究煤壁
9、发生片帮是顶板压力直接作用的结果，因此煤层的强度对煤壁片帮有很大的影响，研究煤层的强度对研究煤壁片帮至关重要。由于煤体是一种不连续的介质，煤层中存在着大大小小的节理裂隙，它们的存在使得煤层中形成了弱的结构面，煤壁在受到顶板压力的作用下，就很有可能沿着节理裂隙这些弱结构面产生滑动破坏，从而造成片帮。关且指出由于煤层中含有软弱夹层，这些软弱夹层的存在严重地影响了煤层的整体承载能力，如果采高越大，煤层中存在的软夹层的数量也会相应的增多，煤层的整体承载力也会降低，进而造成煤壁的片帮破坏。煤层中存在着大大小小的节理裂隙，这些节理裂隙的破坏往往决定了煤层的破坏。在顶板压力的作用下，煤层破坏的程度与节理面倾
10、角的大小成正比关系，也就是说节理面的倾角越大，煤体的破坏程度也就越大。当节理面的倾角为时，极易沿此面破坏。当破坏面平行于节理面时，节理在压力的作用下发生闭合，煤层还具有一定的承载能力，此时并不会导致煤壁的片帮。当破坏面与节理面相交时，使得煤体在支承压力的作用下形成了块状结构，而煤壁前方是个自由面，煤体极易被挤出煤壁，导致片帮的发生。工作面推进速度对煤壁片帮影响的研究由于岩石在外力的作用下具有蠕变特性，如果推进速度比较慢，岩石暴露的时间会比较长，蠕变产生的塑性变形就比较大，极易引起片帮。在回采过程中，工作面前方煤体中的应力不断经历着平衡被打破再平衡的过程，当原始平衡遭到破坏后，紧接着上覆岩层就会
11、下沉，煤壁塑性变形就会增大。随着时间的推移，顶板的下沉量就会增大，同时煤壁的塑性变形也会相应的增加。当工作面推进比较慢时，必然会造成煤壁的严重片帮。工作面推进方向对煤壁片帮影响的研究当煤壁受采煤机割煤、移架等扰动时，极易发生片帮现象，就分别对仰斜工作面、俯斜工作面和沼走向的工作面进行了比较详细的分析得出在相同条件下，仰斜回采时煤壁的最大片帮深度要比走向和俯采大得多。4 大采高煤壁片帮机理的研究无论是理论的推导还是数值模拟均已表明，采高的增大必然引起煤壁片帮的可能性增大。就目前来说，影响煤壁片帮的因素有很多:采高、支架的工作阻力、煤层的强度、端面距等，煤壁发生片帮后会进一步引起端面冒露，而端面冒
12、露会使得支架接顶不实，支架不能很好地承担起支撑顶板的作用，此时就容易引发顶板事故。片帮是大采高工作面尚需进一步研究解决的问题。要想解决煤壁片帮问题必须从根本上了解煤壁片帮的机理，只有这样才能有效的防治大采高工作面煤壁的片帮。就目前而言，研究煤壁片帮机理的力学模型相对比较少，本文主要应用材料力学中的挠度理论来分析煤壁片帮的机理，旨在分析煤壁挠度曲线的最大值点，也就是最容易发生片帮破坏的地方。4.1煤壁力学模型建立煤壁承受来自工作面前方煤体的水平挤压力和顶板压力下可以认为是一端固定，一端简支或者是自由端的等截面梁。为了比较方便的分析煤壁在水平向上所产生的挠度，可以对其进行适当的简化:煤壁自身的重力
13、不予考虑煤壁自身的重力与原岩应力相比影响甚微，同时其对煤壁挠度的影响也比较小，因此在这里可以略去。煤壁在竖直方向上的压缩变形不予考虑这里主要研究的是煤壁在水平方向上的挠度，因此我们可以忽略掉煤壁在竖直方向上的压缩变形对其挠度的影响。简化后的力学模型为图1 图1 简化后的力学模型图中q为水平荷载的集度;煤层与顶板之间的摩擦阻力;p为顶板压力;z为采高。这样在煤层与顶底板之间的摩擦阻力与均布荷载ql之间存在着一种关系，假设。第一种情况当时，模型可简化为图2.第二种情况当时，模型可简化为图3. 图2 第一种情况后的力学模型 图3 第二种情况后的力学模型4.1.1第一种情况煤壁片帮位置的计算分析第一种
14、清况简化后的计算模型如图2所示，在这种清况下，工作面煤壁可以看成为一端固定、一端自由的悬臂梁。对该梁进行受力分析，取点为坐标原点，竖直向下为x轴，水平向右为y轴建立平面直角坐标系，取梁L的任一x截面作为研究对象进行受力分析如图4。 图4 任一x截面作为研究对象进行受力分析由图可以得出在x=O时挠度取得极大值，煤壁最大的挠度值点发生在煤层与顶板接触处，也就是采高处，也就是煤壁最容易破坏处，在该点处的挠度值为: （2）下面我们通过数值模拟;分析来证明这一点，当我们取煤层与顶板接触面上的摩擦角比较小的时候，其位移矢量分布图5。 图5 煤壁位移矢量分布图 从图5中不难分析出，煤壁的最大片帮位置在煤层与
15、顶板接壤处，而从现场观测煤壁的片帮素描为图6图6 煤壁片帮素描图从数值模拟和现场的观测可以证明理论推导是正确的4.1.2第二种情况煤壁片帮位置的计算分析第二种情况下煤壁简化后的力学模型图3，其实就是一端固支一端简支的等截面梁，取O点为坐标原点，竖直向下为x轴，水平向右为y轴建立平面直角坐标系进行受力分析如图7。本模型是一个超静定梁，在支座O处存在有多余的支反力，现在先对这个多余的支反力进行求解。由于是超静定梁，在这里采用变形相容条件求解，在O点处的总挠度等于零。在这里计算挠度的时候我们运用挠度的叠加原理，可以把一端固支一端简支的悬臂梁的挠度分解成悬臂梁在均布荷载和顶板压力作用下的挠度和悬臂梁在集中荷载和顶板压力作用下挠度的叠加。而根据相容方程二者在O点处的挠度为零即: （4）图7 任取一x截面的受力分析图式中：-悬臂梁在均布荷载和顶板压力作用下O点处的挠度值，图8; -悬臂梁在集中荷载和顶板压力作用下O点处的挠度值，图9. 图8 在均布载荷和顶板压力下的挠度
