仰采角度对煤壁片帮的影响研究

2013-09-07成辰欣吕伟伟刘金凯

中国矿业 2013年10期

成辰欣，张保，吕伟伟，刘金凯，李骐

（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京100083）

在仰斜开采工作面的生产过程中，端面稳定性成为我们不可回避的问题，其破坏形式以煤壁片帮为主。煤壁片帮会受到仰采角度的影响，且根据以往经验，随着仰采角度的增加，煤壁会变的更加难以控制，发生片帮的机率会明显加大。本文以梧桐庄矿183309工作面为背景，主要研究仰采角度对煤壁片帮的影响。

1 概况

梧桐庄矿183309工作面为一孤岛面，赋存深度为372～585m，工作面长150m，两侧煤柱宽度均是5m，处于背斜构造带的两侧，因此要经历仰采和俯采两个阶段，工作面开采前期为仰采阶段，仰采角度变化较大，范围在0°～27°，局部仰角达到30°。开采2＃煤层，煤体较软，硬度约f＝1，煤层厚2.8～3.6m，平均采高3.3m。采用长壁后退式采煤法，一次采全高，全部垮落法处理采空区。工作面基本情况如图1所示。

图1 309工作面基本情况示意图

2 煤壁片帮机理

309工作面煤壁片帮影响因素如下所示。

2.1 矿压的作用

309工作面为一孤岛工作面，因此在开采之前经历了两次采动影响。通过工作面作业规程可知，区段之间留有5m宽的小煤柱，周边工作面整个推进过程中，309工作面端头煤体经历了采动影响和采动稳定两个阶段［1］，分别对应于煤体的受压和解压过程，发生了弹塑性变形，因此煤体的整体性遭到一定程度的破坏，内聚力和内摩擦角均降低。

2.2 煤体的强度

煤体的强度包括抗压、抗拉、抗剪强度等，其强度越大，承载能力也就越大。本煤层煤体较软，强度较低，受压后易发生形变。

2.3 工作面推进速度

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，因此蠕变产生的塑性变形就比较大，极易引起片帮。此工作面的日进尺为3m，推进速度较慢，给煤壁破坏提供了足够时间［2］。

2.4 仰斜开采

仰采与俯采对比，仰采的煤壁片帮机率要高，且片帮深度也要大。309工作面现处于仰斜开采阶段，超前支承压力峰值点向工作面方向靠近，使得煤壁受压增大［3］；仰斜开采煤壁受到重力作用更易向临空面发生形变，且随着仰斜角度的增加，受到的影响也将更大。

综上所述，本身煤体强度较低，又受到来自两次采动的影响，煤体在开采时已经遭到很严重的破坏，裂隙较为发育，有可能为散体煤，加之仰斜开采及孤岛环境，支承压力峰值点前移且压力较大，在仰角大小达到一定值时，煤壁发生以重力滑落形式为主的破坏［4］。

3 UDEC模拟的建立

鉴于仰角存在一个极限值，建立了以下模型来研究仰角对煤壁片帮的影响［5］。

3.1 建模条件及参数

倾角为10°时，模型的尺寸为70m×37.2919m（长×宽）；倾角为15°时，模型的尺寸为70m×44.1931m（长×宽）；倾角为20°时，模型的尺寸为70m×51.6248m（长×宽）。模型的条件如下所示。

1）模型的上部边界为应力边界，模型的顶部承受500m岩层的载荷，即12.5MPa，重力加速度为9.8m／s2。

2）模型的左右边界固定其水平位移，即有vx＝0，ux＝0。

3）模型的下部边界固定其水平位移和垂直位移，即有vx＝0，ux＝0，vy＝0，uy＝0。

选取模型的力学参数和本构关系见表1、表2。

表1 岩层的力学参数

表2 节理的力学参数

3.2 不同倾角对煤壁片帮影响的数值模拟分析

模拟选取了10°、15°和20°这三个角度，力学参数相同，在煤壁附近处分别布置了10个测点（表3），主要监测其水平位移，通过其水平位移的大小来判断煤壁处煤体的破坏情况，进而分析仰斜角度对煤壁片帮的影响。

表3 监测点布置情况

1）仰斜角度为10°时，模型煤壁处变形及煤壁处测点水平位移情况，如图2、图3所示。通过模型开挖图可知，煤体在开挖后，煤壁基本保持在原位。观测其测点的水平和竖直位移可知，煤壁处煤体向内缩的现象，最大内缩值为0.097m，但经过上覆岩层的运动平衡，最终稳定在了0.062m。此种情况的出现分析原因如下：①煤层较软，受压会产生较大的变形；②直接顶及上部岩体形成了类似于悬臂梁结构；③所形成的悬臂梁结构对煤壁有向内的力矩；④开挖后给了足够的平衡时间。

2）仰斜角度为15°时，模型煤壁处变形及煤壁处测点水平位移情况，如图4、图5所示。通过模型开挖图可知，仰采角度为15°时，煤体开挖后，煤壁处发生了破坏，主要集中在煤壁的中上部。观测其测点的水平位移可知，煤壁处煤体部分向外移动，且第4监测点的水平位移量最大为1.35m，最终稳定在1.3m，此点附近的2、4监测点水平位移均比较大。7、8监测点是上下相邻，7监测点向内侧缩，而8监测点向外凸，可判断破坏深度大约在0.5m。

图2 仰采角度为10°的模型开挖图

图3 煤壁处测点（10°）随时间变化的水平位移图

图4 仰采角度为15°的模型开挖图

图5 煤壁处测点（15°）随时间变化的水平位移图

3）仰斜角度为20°时，模型在煤壁处变形及煤壁处测点水平位移情况，如图6、图7所示。通过模型开挖图可知，仰采角度为20°时，煤体在开挖后，煤壁处同样发生了破坏，主要集中在煤壁的中上部。观测其测点的水平位移可知，煤壁处部分煤体向外移动，且第3监测点的水平位移量最大，达到了1.8m，2、4监测点水平位移也比较大。由6、7监测点内缩，8监测点外凸，对比得其破坏深度在0.5m左右。

图6 仰采角度为20°的模型开挖图

图7 煤壁处测点（20°）随时间变化的水平位移图

3.3 UDEC数值模拟分析结论

通过对仰斜开采三个不同的仰斜角度的数值模拟，可知仰斜角度对煤壁片帮的影响相当大，并且存在极限片帮角度，达到其极限片帮角度后，将会发生煤壁片帮。本次数值模拟可得结论如下：仰斜角度对煤壁片帮有着直接影响，超过极限片帮角度后，随着角度增大煤壁片帮加剧。当倾角为10°时，煤壁基本保持稳定状态，没有破坏，而倾角为15°、20°时，煤壁均破坏；煤壁片帮基本发生在距顶板1／3～1／2采高处，更靠近1／3的位置；煤层较软时，可产生较大的变形，这样可以起到缓解顶板压力的作用；本次数值模拟煤壁的极限片帮角度在10°～15°之间；片帮深度大约在0.5m左右。