陳 兵，薛曉強(qiáng)，張林川，高曉君

(陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

在我國，隨著采煤工藝、采掘設(shè)備、礦壓監(jiān)測技術(shù)的日趨完善，特厚煤層開采目前基本上采用大采高采煤法或放頂煤采煤法，千萬噸礦井井噴式批建，甚至形成了千萬噸礦井群[1]。但是兩種采煤工藝在釋放產(chǎn)能的同時(shí)，伴生出大量工作面礦壓及巷道圍巖控制難題，例如大采高工作面煤壁片幫甚至冒頂、覆巖運(yùn)動(dòng)范圍大且來壓劇烈、厚層頂煤巷道變形量大等[2-4]。榆神礦區(qū)具有煤層埋藏淺、煤層賦存條件簡單、煤層厚度大、煤質(zhì)優(yōu)良等特點(diǎn)，成為千萬噸礦井群建設(shè)基地。本文針對小保當(dāng)?shù)V大采高工作面回采期間片幫劇烈的問題，采用壓桿穩(wěn)定力學(xué)理論[5，6]及MatLab數(shù)據(jù)分析軟件，分析護(hù)幫板提供不同水平載荷及長度時(shí)大采高煤壁撓度分布規(guī)律及特征，揭示大采高工作面煤壁片幫機(jī)理，研究小保當(dāng)?shù)V5.5m、6.5m及7.5m采高煤壁撓度分布規(guī)律、穩(wěn)定性特征及片幫防治技術(shù)。

1 “壓桿”結(jié)構(gòu)模型的建立

大采高工作面煤壁主要受上覆巖層垂直應(yīng)力、護(hù)幫板水平支護(hù)應(yīng)力及煤層與頂?shù)装彘g摩擦力等，此時(shí)煤壁可簡化為一端固定一端簡支的等截面梁[7]。大采高工作面煤壁上部及下部所受頂?shù)装鍓毫Υ笮∠嗟确较蛳喾?，忽略水平地?yīng)力對大采高工作面煤壁片幫的影響，為定量分析，對大采高工作面煤壁“壓桿”結(jié)構(gòu)模型力學(xué)環(huán)境作出如下假設(shè)：①不計(jì)煤壁自重對水平變形(撓度)影響；②不計(jì)煤壁垂直方向壓縮變形影響，煤壁壓縮變形對煤壁水平擾動(dòng)很小；③不考慮煤壁剪切變形；④忽略水平地應(yīng)力對大采高工作面煤壁片幫的影響。簡化后“壓桿”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 “壓桿”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

圖1中，P為頂板壓力，kN；F為煤層與頂板間摩擦力，kN；qh為護(hù)幫板作用于煤壁水平載荷集度，kN/m；qM為煤層作用于煤壁水平載荷集度，kN/m；L為采高，即煤壁高度，m；a為護(hù)幫板長度，m；b為底板距護(hù)幫板下端長度，m。坐標(biāo)軸以煤壁最高點(diǎn)為原點(diǎn)o，煤壁豎直向下為x軸，水平向右為y軸。

2 大采高工作面片幫的壓桿穩(wěn)定性分析

“壓桿”結(jié)構(gòu)模型是一種超靜定梁?；谛∽冃蜗嗳輻l件及撓度疊加原理，將“壓桿”結(jié)構(gòu)模型簡化成一端固定一端簡支的等截面梁。不同外力條件下懸臂梁撓度分布如圖2所示，一端固定一端簡支的等截面梁撓度分解為懸臂梁均布載荷(包括煤層作用于煤壁均布載荷qM及護(hù)幫板作用于煤壁水平載荷qh)作用下的撓度wq及懸臂梁集中載荷作用下的撓度wF的疊加。此處頂板壓力對懸臂梁水平方向撓度擾動(dòng)不計(jì)。一端固定一端簡支的等截面梁A點(diǎn)撓度為零，即：

wAqM+wAqh+wAF=0

(1)

圖2 不同外力條件下懸臂梁撓度分布

根據(jù)材料力學(xué)懸臂梁撓度公式計(jì)算得：

將式(2)、式(3)及式(4)代入式(1)可得：

同理，根據(jù)撓度疊加原理，在懸臂梁任意取一截面x進(jìn)行受力分析，對x截面上的形心取矩：

根據(jù)撓度曲線方程：

將式(6)代入式(7)可得：

“壓桿”結(jié)構(gòu)模型懸臂梁撓度方程：

w=wF+wqM+wqh

(9)

(10)

3 護(hù)幫板作用條件下煤壁撓度分布特征分析

3.1 護(hù)幫板提供不同水平載荷條件下煤壁撓度分布

為研究護(hù)幫板支護(hù)強(qiáng)度與煤壁撓度關(guān)系，基于小保當(dāng)?shù)V地質(zhì)條件及生產(chǎn)現(xiàn)狀，將煤厚L=7.5m，護(hù)幫長度a=3.75m，代入式(10)，得：

(11)

將式(11)輸入MatLab數(shù)據(jù)分析軟件，護(hù)幫板提供不同水平載荷條件下煤壁撓度分布如圖3所示。

圖3 護(hù)幫板提供不同水平載荷條件下煤壁撓度三維分布

護(hù)幫板水平載荷與煤壁撓度關(guān)系如圖4所示，圖4揭示了護(hù)幫板提供不同載荷條件下煤壁撓度分布規(guī)律及特征，具體如下：

圖4 護(hù)幫板水平載荷與煤壁撓度關(guān)系

1)當(dāng)k1不變時(shí)，即護(hù)幫板提供載荷不變時(shí)，隨x增大(煤壁由上到下)，煤壁撓度減小。煤壁最高點(diǎn)處撓度最大，煤壁越發(fā)容易屈曲破壞，應(yīng)著重加大煤壁上半段支護(hù)強(qiáng)度，防止煤壁高處片幫傷人。

2)隨著k1減小，即護(hù)幫板提供載荷增大時(shí)，煤壁撓度減小速率明顯增大，煤壁同一高度處撓度明顯減小。表明增大護(hù)幫板水平載荷可大大降低煤壁撓度，減弱煤壁屈曲，增強(qiáng)煤壁穩(wěn)定性。

3)不同k1值，即護(hù)幫板提供不同水平載荷，煤壁最高點(diǎn)處撓度變化不明顯，煤壁最高點(diǎn)以下煤壁撓度減小速度明顯不同。現(xiàn)場控制大采高片幫時(shí)要注意煤壁最高點(diǎn)破壞情況，嚴(yán)防高處滑落砸人。

4)當(dāng)k1=7.5時(shí)，大采高煤壁最高點(diǎn)撓度處于530左右，隨x增大，煤壁各點(diǎn)撓度迅速減小，煤壁撓度分布趨于穩(wěn)定。因此，小保當(dāng)7.5m采高工作面支架選型護(hù)幫板水平載荷選擇1MPa，可有效控制煤壁片幫現(xiàn)象。當(dāng)局部地段地質(zhì)條件惡化時(shí)，應(yīng)及時(shí)加大護(hù)幫板水平載荷強(qiáng)度并聯(lián)合其他治理片幫措施(護(hù)幫錨桿、煤壁注漿、貼幫柱等)共同保證大采高煤壁穩(wěn)定[8-10]。

3.2 護(hù)幫板不同護(hù)幫長度條件下煤壁撓度分布

為研究護(hù)幫板護(hù)幫長度與煤壁撓度關(guān)系，基于小保當(dāng)?shù)V地質(zhì)條件及生產(chǎn)現(xiàn)狀，將煤厚L=7.5m，護(hù)幫長度k1=7.5，代入式(10)，得：

將式(12)輸入MatLab數(shù)據(jù)分析軟件，護(hù)幫板不同護(hù)幫長度條件下煤壁撓度分布如圖5所示。

圖5 護(hù)幫板不同長度條件下煤壁撓度三維分布

護(hù)幫板不同護(hù)幫長度條件下煤壁撓度分布規(guī)律及特征如圖6所示。

圖6 護(hù)幫板護(hù)幫長度與煤壁撓度關(guān)系

1)當(dāng)a不變時(shí)，即護(hù)幫板護(hù)幫長度不變時(shí)，隨x增大(煤壁由上到下)，煤壁撓度減小，撓度減小速率逐漸減小，最終在x=5～7.5m即煤壁下半部分時(shí)，煤壁撓度趨于穩(wěn)定變化小。煤壁最高點(diǎn)處撓度最大，煤壁容易屈曲破壞，大采高工作面應(yīng)嚴(yán)防煤壁高處片幫傷人。

2)隨著a增大，即護(hù)幫板護(hù)幫長度增大時(shí)，煤壁同一高度處撓度明顯減小，護(hù)幫效果明顯改善。表明增大護(hù)幫板護(hù)幫長度可大大降低煤壁撓度，減弱煤壁屈曲，增強(qiáng)煤壁穩(wěn)定性。

3)不同a值，即護(hù)幫板護(hù)幫長度不同時(shí)，煤壁最高點(diǎn)處撓度隨護(hù)幫長度增大明顯降低，煤壁最高點(diǎn)以下煤壁撓度也明顯不同。表明增大護(hù)幫板強(qiáng)度可大大改善煤壁穩(wěn)定性。

4)值得注意當(dāng)a=4m時(shí)，大采高煤壁最高點(diǎn)撓度處于376左右，隨x增大，煤壁各點(diǎn)撓度迅速減小，x=4～7.5m即煤壁下半部分時(shí)，煤壁撓度趨于穩(wěn)定，煤壁撓度分布趨于穩(wěn)定。因此，小保當(dāng)7.5m采高工作面支架選型護(hù)幫板最大護(hù)幫長度達(dá)4m，可有效控制煤壁片幫。

4 小保當(dāng)?shù)V不同采高條件下煤壁穩(wěn)定性分析

基于小保當(dāng)?shù)V地質(zhì)條件及支架選型情況可知：礦井2-2煤埋深302.74m，厚度3.30～9.86m，平均5.55m，側(cè)壓系數(shù)1.0～2.0，水平應(yīng)力取7.5MPa；大采高支架一級(jí)護(hù)幫板尺寸為頂長×底×高=1530mm×1328mm×1200mm，當(dāng)片幫嚴(yán)重打開三級(jí)護(hù)幫板后高度可達(dá)4m，達(dá)到煤壁中部；護(hù)幫板提供水平載荷強(qiáng)度1MPa左右。綜上可知k1=7.5，k2=2。

當(dāng)采高為5.5m時(shí)，代入式(10)得：

當(dāng)采高為6.5m時(shí)，代入式(10)得：

當(dāng)采高為7.5m時(shí)，代入式(10)得：

將式(13)、式(14)及式(15)輸入MatLab數(shù)據(jù)分析軟件，小保當(dāng)煤礦5.5m、6.5m及7.5m采高片幫情況論證如下：

小保當(dāng)煤礦5.5m、6.5m及7.5m采高煤壁撓度分布規(guī)律及特征如圖7所示。

圖7 小保當(dāng)煤礦不同采高煤壁撓度分布

1)當(dāng)采高不變時(shí)，隨x增大(煤壁由上到下)，煤壁撓度減小，撓度減小速率逐漸減小。煤壁最高點(diǎn)處撓度最大，大采高工作面應(yīng)嚴(yán)防煤壁高處片幫傷人。

2)隨著采高增大，煤壁同一高度處撓度明顯增大，其中5.5m采高最大撓度160，6.5m采高最大撓度298，7.5m采高最大撓度530。表明采高增大時(shí)，煤壁片幫危險(xiǎn)性顯著增強(qiáng)，應(yīng)及時(shí)采取措施增強(qiáng)煤壁穩(wěn)定性，防治片幫事故。

3)小保當(dāng)?shù)V護(hù)幫板提供水平載荷強(qiáng)度1MPa，護(hù)幫板最大護(hù)幫長度達(dá)4m，即k1=7.5，k2=2，5.5m、6.5m及7.5m采高煤壁各點(diǎn)撓度分布趨于良好，煤壁穩(wěn)定性得到大大改善。當(dāng)煤層地質(zhì)條件惡化時(shí)及時(shí)聯(lián)合其他防片幫措施保障煤壁穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

1)基于大采高工作面煤壁力學(xué)條件，建立了“壓桿”結(jié)構(gòu)模型，得出了護(hù)幫板提供不同水平載荷及長度條件下，大采高煤壁撓度分布力學(xué)表達(dá)式。

2)采用MatLab數(shù)據(jù)分析軟件，揭示了大采高支架護(hù)幫板提供不同水平載荷及護(hù)幫長度時(shí)煤壁撓度分布規(guī)律及特征，表明增大護(hù)幫板水平載荷及護(hù)幫長度可大大改善煤壁穩(wěn)定性。

3)小保當(dāng)?shù)V大采高支架護(hù)幫板水平載荷強(qiáng)度1MPa，護(hù)幫長度達(dá)4m，即k1=7.5，k2=2，5.5m、6.5m及7.5m采高煤壁穩(wěn)定性得到大大改善。當(dāng)局部地段地質(zhì)條件惡化時(shí)，應(yīng)及時(shí)加大護(hù)幫板水平載荷強(qiáng)度及護(hù)幫長度并聯(lián)合其他治理片幫措施(護(hù)幫錨桿、煤壁注漿、貼幫柱等)共同保證大采高煤壁穩(wěn)定。