李建勝，楊永康，康天合，張愛絨

（太原理工大學(xué)a.采礦工藝研究所；b.學(xué)報編輯部，太原030024）

隨著采高的增大，煤壁失穩(wěn)片幫的機率增加。煤壁片幫直接影響工作面安全生產(chǎn)，是生產(chǎn)管理中的重要指標(biāo)。煤壁失穩(wěn)片幫將增大工作面端面距，進而引發(fā)端面漏冒，導(dǎo)致頂煤頂板條件惡化，進一步引起支架不能正常接頂，支架所受載荷不均勻，容易引起支架后立柱卡環(huán)、頂梁、后立柱等部件損壞，進而引起支架圍巖關(guān)系惡化，進一步導(dǎo)致支架圍巖關(guān)系惡化而引起頂板事故和片幫事故，形成惡性循環(huán)［1］。弓培林教授［2］根據(jù)煤體裂隙分布特點，對煤壁穩(wěn)定性進行了評價，并采用模糊數(shù)學(xué)方法對煤壁穩(wěn)定性進行了分類；袁永博士［3］認為煤壁片幫是一個由微觀裂隙發(fā)育到宏觀“楔形”滑動體失穩(wěn)的過程，并從微觀和宏觀兩個角度分析其穩(wěn)定性的主要因素；寧宇研究員［4］認為采用二級護幫機構(gòu)、縮小端面距、提高支架工作阻力、電液控制系統(tǒng)實現(xiàn)擦頂移架、及時移架，將移架速度在8s以內(nèi)可有效控制煤壁片幫；富強博士［5］認為端面控頂區(qū)頂煤冒落主要是由拉應(yīng)力引起的，并提出從回采工藝和支架結(jié)構(gòu)兩方面解決“三軟”厚煤層工作面頂板控制主要問題。目前，人們都認識到工作面前方支承壓力是煤壁片幫的主要原因，煤層強度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、構(gòu)造情況、支架性能等對煤壁片幫有影響，未考慮煤體自身的力學(xué)結(jié)構(gòu)特征，對煤壁片幫的規(guī)律和機理未能深入的研究，如何定量分析及采取措施尚未解決。

1 工作面煤壁失穩(wěn)機理分析

大采高綜放采場易于發(fā)生煤壁片幫，為定量分析煤壁片幫，在工作面煤壁深處取任一截面，建立上端簡支下端固支的受力壓桿模型（圖1），在均布載荷q作用下，桿件將會發(fā)生彎曲變形。距下支座距

圖1 壓桿的受力模型

離為x處截面上的撓曲線近似微分方程為：

式中：E為彈性模量；I為慣性矩；υ″為撓度；q為水平方向的合力；p為垂直方向壓力；l為煤壁高度。

由邊界條件：

1）當(dāng)x＝0時，υ＝0；

2）當(dāng)x＝l時，υ＝0，可得

在相同條件下，煤巖的彈性模量越大，撓度越小；在垂直方向應(yīng)力越大，水平方向受力越大，邊墻越高，撓度就越大。煤層開采引起煤壁垂直應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，水平應(yīng)力降低區(qū)會逐步擴大和加深，水平應(yīng)力釋放造成合力q增大?？傻萌缦陆Y(jié)論。

1.1 不同煤層潛在破壞機制不盡相同

中硬煤或夾矸彈性模量大，在載荷作用下產(chǎn)生的彎曲變形很小，支承應(yīng)力峰值大于其強度時將發(fā)生潰層屈服破壞形成塊狀體，深部煤體將成為為主要自承載層。可以認為，二次應(yīng)力場提供能量轉(zhuǎn)化為側(cè)幫開裂、剝落等脆性破裂，在煤壁中部產(chǎn)生破裂、片幫（圖2-a）。

軟煤彈性模量較小，在煤壁淺部由于水平受力較大而撓度增大，煤體將剪切滑移、錯動、失穩(wěn)坍塌，流向回采工作面且以水平位移為主；煤壁深處由于q減小，水平方向位移逐漸減小，在豎直方向有向上下硬夾層擠壓的趨勢?？梢哉J為，二次應(yīng)力場提供能量轉(zhuǎn)化為位移或局部弱化，在工作面上表現(xiàn)為整體滑移失穩(wěn)（圖2-b）。

斜溝13號煤為中硬煤，中間有夾矸，層狀煤與矸石受支承應(yīng)力作用后，破裂面沿層面發(fā)展，軟弱煤層屈服范圍反而少。煤體的變形與破壞是不均勻的，變形與受力不協(xié)調(diào)現(xiàn)象一旦加劇則可能出現(xiàn)大面積的片幫冒頂。

1.2 采用注漿或錨桿支護防治煤壁片幫

采用注漿或錨桿支護防治煤壁片幫的目的是減緩或阻止水平應(yīng)力的釋放，減緩水平應(yīng)力向縱深發(fā)展。加固煤壁后，能增加煤巖大小結(jié)構(gòu)體移動或滾動的阻力，減小q促使巖體形成承載墻，阻止邊墻幫部巖體垮落。

1.3 降低煤壁片幫

降低煤壁片幫率的最有效措施是減小邊墻高度，即降低采高，這又與高產(chǎn)高效相矛盾。

圖2 大采高煤壁片幫示意圖

2 采場煤壁控制技術(shù)

2.1 現(xiàn)有防治煤壁片幫方法

在現(xiàn)有技術(shù)中有四種防治工作面煤壁片幫的方法，但實踐證明現(xiàn)有技術(shù)對煤壁的作用存在著局部性、滯后性、被動性、有限性和危險性：

1）采用液壓支架的護幫板維護工作面煤壁和端面的穩(wěn)定。護幫板僅對煤壁的上部局部范圍有水平推力，作用不到片幫最為嚴(yán)重的中部，且?guī)r體暴露時間與護幫板不能同步。

2）在煤壁上安裝可截割的護幫錨桿或煤壁鉆孔注漿固結(jié)煤壁。安裝錨桿和注漿加固需要時間長，來不及實現(xiàn)煤體自承載且影響采煤作業(yè)。

3）提高液壓支架的支護阻力。提高支護阻力后支架的設(shè)備增大，成本增大，效果也十分有限。

2.2 臺階煤壁采煤法

根據(jù)壓桿的受力模型，提供了一種能夠從根本上解決工作面煤壁片幫和端面頂板冒漏，并可實現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)的厚煤層大采高工作面臺階煤壁采煤方法（已申請發(fā)明專利，申請?zhí)枺?00910073898.4）。如圖3所示，將煤壁分成兩個臺階，臺階煤壁由臺階面、臺階面上煤壁與臺階面下煤壁構(gòu)成；所述的臺階煤壁在工作面推進過程中，臺階面上煤壁始終超前臺階面下煤壁。此方法有顯著效果：

1）將大高度平直煤壁改變成前后錯開的兩個煤壁，避免超高煤壁長時間停留造成片幫冒頂。臺階面上煤壁承受的頂板應(yīng)力向下轉(zhuǎn)移到了臺階面下煤壁的深處，作用在煤壁上應(yīng)力狀態(tài)由煤壁淺部的二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樯畈咳驊?yīng)力狀態(tài)，同時釋放了頂板傳遞給臺階面下煤壁的支承應(yīng)力q，使臺階面下煤壁為無載荷煤壁，改善了大采高工作面煤壁的穩(wěn)定性。

圖3 臺階煤壁采煤方法示意圖

2）當(dāng)發(fā)生煤壁片幫和頂板端面冒漏，片幫或冒漏的煤和巖石會掉落在臺階面上，或在臺階面上低位滑落，從而可以確保位于臺階面下煤壁前機道處的人員和設(shè)備的安全，實現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)，有利于大采高綜放開采技術(shù)的推廣應(yīng)用。

3 結(jié)論

1）為定量分析煤壁片幫，建立受力壓桿模型，對煤壁破壞機制進行了分析。

2）提出采用臺階采煤法解決煤壁片幫及由煤壁片幫引起的端面冒漏問題。

3）臺階煤壁采煤方法期待進一步工程驗證。

［1］ 楊永康.特厚煤層大采高綜放采場覆巖移動規(guī)律及圍巖控制研究 ［D］.太原理工大學(xué)，2012.

［2］ 弓培林.大采高采場圍巖控制理論及應(yīng)用研究［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2006.

［3］ 袁永.大采高綜采采場支架－圍巖穩(wěn)定控制機理研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2011.

［4］ 寧宇.大采高綜采煤壁片幫冒頂機理與控制技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報，2009，34（1）：50-52.

［5］ 富強，閆少宏，吳健.綜放開采松軟頂煤落放規(guī)律的理論研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21（4）：568-572.