殷瑞斌，康天合，李 超，汪李龍

（太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原 030024）

大采高綜采是開采厚煤層（厚度≥3.5 m）的一種高產(chǎn)高效方法[1]，已在我國得到了廣泛的研究與應(yīng)用，但隨著煤層埋深、采高和工作面長度的不斷增大，大采高綜采工作面煤壁片幫問題日益突出，對開采人員和設(shè)備帶來巨大安全隱患，在一定程度上影響了大采高綜采效益的發(fā)揮。因此，對煤壁片幫的影響因素進(jìn)行研究，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。工作面煤壁片幫是煤壁受力發(fā)生破壞及其破壞進(jìn)一步演化引起的，煤壁的破壞程度受地質(zhì)條件與開采技術(shù)條件等因素的影響。工程實踐和已有的研究成果表明，煤層埋深越大，工作面煤壁承受的頂板壓力就越大，支承壓力的峰值和作用范圍就越大，煤壁就越容易發(fā)生破壞形成片幫[2]；采高增大會增加工作面煤壁的自由空間和支承壓力，降低其穩(wěn)定性，從而增大煤壁發(fā)生破壞形成片幫的幾率[3-4]；工作面長度增加同樣會增加煤壁的不穩(wěn)定性[5-6]；提高液壓支架的初撐力或工作阻力，可緩解煤壁承受的壓力，提高其穩(wěn)定性[7-11]。綜合上述研究，以紅慶河煤礦3-1 煤層賦存條件為背景，采用正交試驗法，運用FLAC3D數(shù)值軟件進(jìn)行模擬，基于Drucker-Prager 準(zhǔn)則計算工作面煤壁的破壞系數(shù)，綜合研究埋深、采高、工作面長度、液壓支架初撐力和支架合力作用點到煤壁距離5 個因素對工作面煤壁破壞的影響規(guī)律。

1 煤層賦存條件

紅慶河煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi)，3-1 煤層是井田內(nèi)發(fā)育最好的煤層，全井田賦存，賦存深度為 283.5～861.9 m，平均 718.6 m。煤層可采厚度 4.32～8.45 m，平均厚度 6.14 m。煤層傾角近水平，結(jié)構(gòu)簡單。3-1 煤層及其頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)特性的測定結(jié)果見表1。

表1 3-1 煤層及其頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of 3-1 coal seam and its roof and floor strata

2 煤壁破壞系數(shù)計算方法

在工作面推進(jìn)的過程中，煤壁的原始三向應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，轉(zhuǎn)為雙向或單向應(yīng)力狀態(tài)，相應(yīng)的煤壁及其前方煤體的應(yīng)力會進(jìn)行重新分布。當(dāng)工作面煤壁承受的應(yīng)力超過其承載能力時，就會發(fā)生剪切與拉伸屈服破壞，煤體向采空區(qū)一側(cè)移動，甚至發(fā)生片幫。因此，工作面煤壁及其前方煤體發(fā)生屈服破壞和破壞程度是形成片幫的前提條件。為此基于Drucker-Prager 準(zhǔn)則來計算煤壁的破壞程度。

Drucker-Prager 準(zhǔn)則是在Mises 準(zhǔn)則和Coulomb-Mohr 準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而得的，該準(zhǔn)則考慮了中間主應(yīng)力的作用，可更為精確地計算材料的屈服破壞特征[12]。根據(jù)Drucker-Prager 準(zhǔn)則定義煤體單元的破壞系數(shù)Z[13]為：

式中：I1為第一應(yīng)力不變量，I1=σx+σy+σz；J2為應(yīng)力偏量第二應(yīng)力不變量，為僅與煤的內(nèi)摩擦角 φ 和黏聚力 c 有關(guān)的常數(shù)；σx、σy、σz為 x、y、z 方向 的拉 應(yīng)力；τxy、τyz、τzx為 xy、yz、zx 方向的剪應(yīng)力。

當(dāng)Z＞0 時，煤體單元發(fā)生屈服破壞，且Z 值越大，破壞程度越高。

工作面煤壁片幫是煤壁發(fā)生大面積破壞聚集的結(jié)果，在煤壁前方一定區(qū)域內(nèi)煤體單元的破壞系數(shù)和破壞面積越大，相應(yīng)的煤壁破壞程度就越高，形成片幫的可能性就越大，所以取該區(qū)域內(nèi)的全部單元作為分析對象。由于不同煤體單元的破壞系數(shù)及面積不同，用加權(quán)平均值來綜合評價工作面煤壁的破壞程度，即：

式中：Y 為煤壁破壞系數(shù)；Zi為第i 個單元的破壞系數(shù)；Ai為第 i 個破壞單元的面積，m2；n 為破壞單元總數(shù)。

3 數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

根據(jù)大采高綜采工作面煤壁片幫影響因素的相關(guān)研究，結(jié)合紅慶河煤礦3-1 煤層的賦存條件，從煤層的埋深H、采高h(yuǎn)、工作面長度L、支架合力作用點到工作面煤壁距離s 和支架初撐力p5 個因素來研究煤壁的破壞程度及其規(guī)律，每個因素設(shè)置5個水平，組成5 因素5 水平問題，并根據(jù)正交試驗方法得到25 個方案，正交試驗方案見表2。

表2 正交試驗方案Table 2 Orthogonal test scheme

3.2 模型建立

根據(jù)3-1 煤層的頂?shù)装鍘r層進(jìn)行建模，模型取煤層頂板厚度86 m，底板厚度26 m。采高分別為4、5、6、7、8 m，則不同方案的模型高度分別為 116、117、118、119、120 m。模型在工作面推進(jìn)方向的兩端各留30 m 的實體煤，工作面推進(jìn)長度為150 m，則模型的長度為210 m。在工作面長度方向兩側(cè)各留30 m 的實體煤，工作面長度分別為100、150、200、250、300 m，考慮對稱性，模型取工作面總長度的一半，則模型的寬度分別為 80、105、130、155、180 m。取工作面推進(jìn)方向為x 軸（模型長），工作面長度方向為y 軸（模型寬），垂直方向為z 軸（模型高），模型示意如圖1。不同方案模型的長、寬、高見表2。

3.3 模擬過程

模型建好后計算初始應(yīng)力場至平衡，開挖工作面煤巷，并計算至平衡。然后沿工作面推進(jìn)方向以每次5 m 的速度進(jìn)行開挖，計算至平衡后再進(jìn)行下一次開挖；以此循環(huán)，直到工作面推進(jìn)150 m。根據(jù)正交試驗方案進(jìn)行模擬，設(shè)定液壓支架的控頂距為5 m。在煤壁前方距煤壁2.5 m 范圍內(nèi)依次布置測點，記錄相應(yīng)位置點的應(yīng)力。

圖1 模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the model

4 計算結(jié)果及其分析

4.1 不同因素對煤壁破壞性的影響規(guī)律

將模擬得到的各個測點的應(yīng)力值 σx、σy、σz、τxy、τxz、τyz代入式（1），計算出不同煤體單元的破壞系數(shù)Z，再由式（2）計算可得到25 個正交試驗方案中煤壁破壞程度的系數(shù)Y（表3）。

表3 各方案煤壁破壞系數(shù)計算結(jié)果Table 3 Calculation results of coal wall failure coefficient of each scheme

對表325 個方案的Y 值按各因素的不同水平進(jìn)行分組，求得各組破壞系數(shù)Y 的平均值，不同因素在不同水平條件下煤壁的破壞系數(shù)見表4。

表4 不同因素在不同水平條件下煤壁的破壞系數(shù)Table 4 Failure coefficients of coal wall of different factors under different horizontal conditions

通過一元回歸分析，可得到的不同因素對煤壁破壞性的影響規(guī)律如圖2。

圖2 不同因素對煤壁破壞性的影響規(guī)律Fig.2 Influence rule of different factors on coal wall destructiveness

1）煤壁破壞系數(shù)隨煤層埋深增大呈對數(shù)增長關(guān)系，如圖2（a），表明隨著煤層埋深的增加，工作面煤壁承受的應(yīng)力增大，煤壁的破壞程度增加。

2）煤壁破壞系數(shù)隨采高的增大呈線性增長關(guān)系，如圖2（b），表明采高越大，工作面煤壁的支承應(yīng)力峰值越大，對煤壁的作用越強，煤壁的破壞程度就越高。

3）煤壁破壞系數(shù)隨工作面長度的增加呈對數(shù)增長關(guān)系，如圖2（c），表明工作面越長，工作面煤壁的破壞就越嚴(yán)重，發(fā)生片幫的幾率就越大。

4）煤壁破壞系數(shù)隨液壓支架合力作用點到煤壁距離的增大呈二次多項式增長關(guān)系，如圖2(d)，當(dāng)液壓支架的支撐力一定時，支架合力作用點到煤壁的距離在一定范圍內(nèi)越小，就能更好地緩解上覆巖層對煤壁造成的壓力，降低煤壁的破壞程度。

5）煤壁破壞系數(shù)隨液壓支架初撐力的增大呈線性減小關(guān)系，如圖2（e），這表明提高液壓支架的初撐力，可以有效緩解煤壁承受的壓力，降低煤壁的破壞程度。

4.2 不同因素對煤壁破壞性影響的主次排序

運用極差分析法，得到5 個因素對煤壁破壞性影響的主次排序。由表4 得到不同因素的極差R：

埋深因素極差 RH=0.568-0.382=0.186。

采高素極差 Rh=0.516-0.488=0.028。

工作面長度素極差 RL=0.508-0.472=0.024。

支架合力作用點到煤壁距離RS=0.526-0.476=0.148。

液壓支架初撐力素極差 RP=0.514-0.49=0.05。

因此，影響煤壁破壞程度的主次排序為：埋深＞支架合力作用點到煤壁距離＞液壓支架初撐力＞采高＞工作面長度。

4.3 不同因素對煤壁破壞性影響的綜合分析

對 H、h、L、s 和 p 作多元回歸分析，可得到影響煤壁破壞性的綜合關(guān)系式：

式中：Y 為煤壁破壞系數(shù)；H 為埋深，m；h 為采高，m；s 為液壓支架合力到煤壁的距離，m；L 為工作面長度，m；p 為液壓支架初撐力，kN。

式（3）的相關(guān)性系數(shù) R2=0.85，表明該式的總體回歸效果較好；顯著性檢驗中 F=22.85＞F0.05=2.74，表明該式為顯著相關(guān)。

4.4 合理工藝參數(shù)的確定

根據(jù)不同因素對煤壁破壞性的影響規(guī)律及3-1煤層賦存條件，確定其合理工藝參數(shù)為：采高6.2 m，工作面長度225 m，支架合力到煤壁的距離為2 m，支架初撐力12 000 kN。

4.5 工程實例

紅慶河煤礦3-1 煤層實際開采過程中，確定采高6.2 m，工作面長度245 m，工作面選用ZY15000/33/67 型支撐掩護(hù)式液壓支架，初撐力12 820 kN。在工作面推進(jìn)過程中，對液壓支架工作阻力進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果顯示初次來壓和周期來壓期間支架工作阻力的峰值分別為13 686、14 903 kN/架，并且在工作面推進(jìn)過程中，工作面煤壁的破壞程度較小，煤壁出現(xiàn)片幫的現(xiàn)象不突出。

5 結(jié) 論

1）煤層的埋深越大，煤壁的破壞就越嚴(yán)重；通過縮小支架合力作用點到煤壁的距離、增大液壓支架初撐力、適當(dāng)降低采高、減小工作面長度可降低煤壁的破壞程度，從而有效防治片幫。

2）工作面煤壁的破壞及破壞程度決定著煤壁片幫是否發(fā)生，影響煤壁破壞性因素的主次排序為：埋深＞支架合力作用點到煤壁距離＞液壓支架初撐力＞采高＞工作面長度。

3）利用大采高綜采開采3-1 煤層的合理工藝參數(shù)為：采高6.2 m，支架合力作用點到煤壁的距離為2 m，液壓支架初撐力12 000 kN，工作面長度225 m。