1、软煤大采高综采煤壁片帮机理及预防措施1 绪论1.1课题研究的背景煤炭为我国的主体能源，其安全高效开采对国民经济发展具有重要意义。以江苏为代表的“长三角经济区”经济发展所需的能源主要靠两淮、徐州等矿区供给，两淮、徐州矿区煤层赋存的特点为煤层松软、地质条件复杂，因此，开展松软煤层条件下安全高效开采技术的研究具有现实意义。近年来，为提高煤炭采出率，在6.0米左右的煤层中推广应用大采高综采技术；与分层综采相比，大采高综采技术具有生产能力大、单产高、巷道布置和工序简便、巷道掘进量和维护量小、采工效和采出率高、吨煤成本低的优点；与综放开采相比，具有采出率高、含矸率低、煤尘小等优点。对于松软煤层大采高综采而
2、言，其关键问题之一是煤壁能否得到有效控制。因为煤层变软、采高变大都会使煤壁片帮的概率增大，而煤壁片帮很容易引起端面冒顶，导致顶板条件恶化，支架受力不均，引起支架部件损坏，进一步引发顶板事故，严重的煤壁片帮不仅影响大采高综采工作面的正常生产，损坏工作面设备，而且还威胁人身安全，因此研究软煤层大采高综采工作面煤壁片帮机理对提高煤矿的安全高效生产具有重要意义。厚煤层储量在我国煤炭储量中约占44%其产量比重约占原煤产量的45%左右，大采高综采是对厚度大于3.5m的厚煤层一次采全高的开采方法，大采高综采目前已成为我国开采缓倾斜厚煤层的主要方向之一，已经在我国的神府，西山，邢台，徐州，龙口，开滦，铜川，淮
3、南，晋城等矿区广泛使用。然而随着大采高综采采高的增加相应的支护高度和煤壁的高度都要增加，这就导致矿山压力显现加剧容易发生较大范围和深度的片帮，片帮又极易导致冒顶的危险，这些事故不仅影响大采高综采的正常生产，损坏工作面设备，而且还威胁人生安全，因此片帮问题也就成为制约大采高综采面安全高效开采的主要因素之一，只有有效地了解控制煤壁片帮才能更好的推广大采高综采进而发挥它的优越性。1.2软煤大采高综采面煤壁片帮的国内外研究现状国内外学者针对综采工作面煤壁片帮的机理及影响因素虽已开展较多的研究，且取得了一定的成果，但这些研究工作主要是针对采高在4.5m以下的综采面，而对松软煤层6.0m左右采高综采面煤壁
4、片帮机理及控制的研究却相对很少，尤其是对考虑时间因素影响的煤壁片帮机理及控制研究才刚起步。1.3目前软煤大采高综采面煤壁片帮存在的问题及本文的研究方向煤壁片帮是大采高综采工作面经常面临的问题，在软煤层中，这种问题更加突出，软煤层中能否成功采用大采高综采技术的关键在于能否防止片帮现象的发生。以往的研究都是一些针对片帮提出的一些具体的理论的阐述，很少有对于大采高煤壁片帮的具体的建立在实验模拟上的研究，本文通过建立实验模型，通过实验模拟，研究了6.0m左右软煤层在不同停采时间、不同工作阻力条件下煤壁片帮的规律，得到了不同条件下规律拟合公。结果表明：停采时间、支架工作阻力都影响煤体片帮；随着停采时间增
5、加和支架工作阻力减小，煤层片帮几率和片帮区范围加大；随着支架工作阻力减小，煤壁支承压力峰值增加，深入煤体深度增加；煤壁片帮与停采时间和工作阻力呈线性关系。该结果从理论上分析了煤壁片帮的影响因素。2大采高综采煤壁片帮机理单一煤层及厚煤层分层开采时，支架直接支撑的是完整性较好的直接顶岩石，与煤体具有明显的分界面，两者的强度也具有较大的差异。由于一次采出煤体的空间小，直接项垮落后即可对采空区进行比较充分的充填，因此工作面上覆岩层垮落带及断裂带发展高度较小，直接顶厚度较小。老顶断裂时，其回转运动先通过直接顶作用支架顶梁，首先表现为支架增阻。对于大采高开采。由于采高加大，采空区空间有所增加，只有更高的垮
6、落带才能维系整个采场岩体的平衡。由于岩层顶板的分层垮落特性，原直接顶岩层垮落后不能充满采空区时，一定厚度的下位老顶岩层将作为规则垮落带来弥补采空区充填的不足，这样，直接顶的厚度增加。实测大采高采场直接顶的垮落高度通常为煤层采出厚度的2.02.5倍。采高增大使直接顶的垮落度增加，但直接与支架作用的仍是完整的直接顶岩石，具有较好的传力效果，因而矿压显现明显增大。煤体在末开采前，处于原始应力条件下，应力保持相对平衡，煤体呈现一定的相对连续性，当煤体开采后，煤壁附近煤体应力平衡遭到破坏，水平应力迅速减小，因开采引起的支承压力的作用垂直应力迅速增大，使煤体产生新的节理、裂隙，即开采引起的次牛裂隙发育，煤
7、壁处f小稳定状态。随着老顶的周期性断裂来压，煤壁会在节理裂隙最发育的地方最先受到破坏，当支承压力达到一定值后，媒体加剧破坏，从而造成煤壁片帮、顶板压力向支架上方转移进而使支架受力不均，产生歪倒、翘顶现象，失去对项板的控制，严重时将导致项板事故。2.1煤壁片帮的破坏形式煤壁片帮其破坏形式主要表现为: 拉裂破坏和剪切破坏。煤壁拉裂破坏常发生在脆性节理较发育的煤体中，这类煤壁的容许变形量小，片帮破坏主要原因是由于在工作面煤壁上方顶板压力作用下，煤壁内煤体产生了横向拉应力，其能量不能通过煤体的变形释放或缓解，从而当拉应力大于煤体的抗拉强度时，煤壁就会产生拉裂式破坏，如图1所示。 1- 取样理面；2-
8、取样煤体；P- 顶板压力，x- 煤体取样所受拉应力图1 工作面前方煤体受力分析图煤壁剪切破坏。剪切破坏常见于软煤层中，工作面煤壁在采空区方向具有自由面，没有约束存在， 变形不受限制， 其力学模型可视为平面应变问题。根据弹性力学模尔强度理论, 脆性材料受压破坏是因为受力时， 其内部产生剪切力，而某一剪切面上的剪应力值超过该材料的允许剪应力值时材料即会沿该面发生剪切破坏，如图2所示，煤体在顶板压力的作用下在煤体内产生了剪切力，当该力大于煤体的抗剪强度时，即煤壁产生剪切滑移式片帮现象。 图2 煤体受力分析图 为剪切面与煤壁的夹角， 为剪切面上的法向应力；1为顶板对煤体的载荷应力；3为垂直煤壁所受应力
9、（在回采工作面中没有将护帮打开时，可将其取值为0）2.2 煤壁片帮的几点分析2.2.1 煤层松软时, 顶板有压力压垮煤壁, 发生煤壁片帮现象如果煤层硬度大,在顶板完整性较好的情况下,也容易发生煤壁片帮现象。硬煤发生片帮时危害更大。原因是片帮就是其内部积蓄能量的瞬时释放,通常情况下, 硬煤在发生变形时, 需要积蓄的能量远远大于松软煤层需要的能量。这样, 发生片帮时, 释放的能量就更大, 造成的危害比松软煤层大。2.2.2 煤层中节理、裂隙发育时, 发生煤壁片帮现象由于节理、裂隙在煤层中形成了弱面, 降低了煤层强度, 使煤体结构变得相对松散, 容易从煤层上脱落。2.2.3 支架初撑力低, 支架工作
10、状态不合理单体液压支架, 最合理的架设形式是顶梁与底座平行。在水平煤层的开采, 顶梁与底座都处于水平状态时, 掩护式液压支架才能发挥最好的支护效果。这时, 液压支架的立柱微向前倾。工作面液压支架经常出现前倾或者后仰的非正常状态, 较易发生煤壁片帮现象。因为支架处于非正常工作状态时, 支架的支撑力不能充分发挥, 在相同的顶板压力作用下, 会造成较大的收缩量。同样, 煤体要跟着支架的收缩发生较大的变形, 而煤体的弹性变形范围较小, 过大的收缩会在煤体中积蓄较大的能量, 当积蓄的能量超过煤层所能承受的能量时, 就发生片帮事故。若支架架设不合理, 还容易发生架前冒顶事故。其原因: 一是当支架处于非正常
11、工作状态时, 会加大支架前端的端面距, 容易漏矸而发生冒顶事故;二是如果支架架设不合理, 会影响到支架对顶板的支撑力, 造成加大的支架收缩量, 进而发生冒顶事故。2.2.4 支架实际工作阻力偏低在回采过程中, 顶板的压力完全由支架和煤壁承担。若支架的架设不合理, 支架的阻力不能得到充分发挥。这时, 煤壁所承受的压力就比在正常状态下承受的压力大。如果煤壁受到的压力超过煤体的强度极限, 必然造成煤体发生塑性变形, 发生煤壁片帮事故。液压支架工作阻力低于正常状态的原因, 一是泵站的压力偏低, 或者液压管线存在漏夜现象; 二是液压支架安全阀不合格, 调设卸荷压力低于正常状态; 三是液压支架立柱存在上、
12、下腔窜液等现象。2.2.5 支架支设滞后, 不能及时护帮由于采煤机运行速度较快, 而移架速度较慢, 跟不上采煤机的运行, 造成移架滞后, 不能及时打开护帮板, 保护新暴露的煤壁, 这就加剧了煤壁的片帮现象。在采煤机通过后易发生片帮现象, 也易发生架前冒顶事故。2.3 煤壁片帮的破坏形式煤壁片帮和端面冒顶的有效控制是大采高工作面开采技术的关键之一。大采高工作面垮落带和断裂带的范围大于一般开采所对应的范围，因而，大采高工作面的顶板压力要比同等煤层条件下的分层开采更强烈，当受到地质构造的影响或支架选型不当、参数设计不合理时，易于发生煤壁片帮和端面冒顶事故。端面冒顶的发生，不仅直接影响工作面安全高效生
13、产，而且当工作面推进速度减慢，由于煤岩体的流变特性，相应的增加了矿山压力的破煤作用，使顶板支护进入恶性循环，工作面生产进入非常被动的局面1。因此煤壁片帮的预防在大采高综采中至关重要，而合理确定煤壁片帮的深度对支架的选型以及煤壁的加固有重要的指导意义。2.3.1 模型的简化（1）图1 为利用FLAC3D 数值分析软件模拟所得的工作面煤壁主应力分布图。从图中可以看出，煤层开采引起围岩应力重新分布，煤壁中部最大主应力方向基本与煤壁平行，出现了高应力集中区，在此区域内预存裂纹明显增加。同时，开挖形成了自由表面，使水平应力在自由表面降低至零，相当于在围岩预存裂纹的远场只施加了压应力。在这种应力条件下，预
14、存裂纹尖端产生翼型张裂纹，这些裂纹距自由表面的距离一般较小，近似平行于压应力方向。在外力作用下微裂纹扩展使裂隙互相结合起来，并最终导致宏观裂纹的形成，使煤壁沿自由表面附近形成薄壳2。为便于计算，对于完整性较好的中硬煤壁，分析顶板压力作用下煤壁的挠度特征时，可以将图3简化为图3 的受力模型，即一端弹性支承、另一端刚性固定的受压杆3 5。图3 工作面前方煤体的主应力分布图4压杆受力模型 （2） 煤壁的挠度计算假设压杆处在临界平衡状态，根据小挠度微分方程以及端部约束条件确定煤壁的挠度曲线，求得煤壁在顶板压力作用下的挠度最大值，即煤壁最容易失稳的位置，力学模型见图5。图5 压杆的受力模型现在来考虑如图
15、5( a) 所示的压杆，它的一端固定，另一端侧向支承在一个线性弹簧上，弹簧刚度为。坐标原点设在固定端。( 如图5( b) 所示) 假定在微弯状态下自由端的挠度为，坐标x 处的挠度。则坐标x 处的弯矩为: (1)再由M = EI，得到微分方程: ( 2)或 ( 3)其中 = 微分方程的解为:假设弹簧刚度较大，弹簧刚度 = 时，相当于上端铰支下端固定的压杆，如图3( c) 所示，由于上端是固定铰支，此时边界条件为:x = 0 时，( 0) = 0; x = h 时，( h) = 0假设上端由支座产生的约束力为Q* ，则可求出挠度曲线为: ( 4)根据稳定方程tankh = kh，可得则:图6 煤壁挠度曲线以煤壁高度为纵坐标，以挠度为横坐标，画出煤壁挠度曲线，如图6 所示，容易看出当，即x = 0.602h 时，煤壁挠度最大， 。该式表明，边界条件为一端铰支、另一端固定时，其侧向最大位移在煤壁上部0.4 倍采高处。2.3.2 煤壁片帮深度的确定岩石常见的破坏形式为拉裂破坏和剪切破坏。然而，煤层较为松软，在煤体自重及顶板压力作用下，在煤壁内虽然会产生横向的拉应力，但煤层的横向及蠕动变形会释放由于压缩而产生的横向拉应力，且顶板的摩擦作用也会缓解煤层所受的拉应力，因此煤层不易发生拉裂破坏，煤壁的主要破坏形式为剪切滑动破
