弱化顶煤控制大采高综放工作面煤壁片帮技术研究

杨 军 刘斌慧,2 张明媚 王宏宇,2 付 强,2

(1.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京市海淀区，100083；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京市海淀区，100083；3.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

近几年针对厚煤层开采提出的大采高综放开采方法已在塔山、平朔、同忻、五家沟等矿井成功应用。然而在生产过程中，煤壁片帮、架前漏冒严重，造成设备损坏，人员伤亡事故频发，大采高综放工作面煤壁片帮问题亟需得到解决。

一些学者对煤壁片帮机理与控制进行了大量的研究，采用各种措施用于缓解片帮的发生：煤体注水改善煤体性质；对顶板爆破预裂或注水弱化减弱来压强度；适当加快工作面推进速度，减少煤壁暴露时间；保证液压支架的初撑力和工作阻力，带压移架减少作用在煤壁上的压力；充分利用护帮板，使煤壁处于三向受压状态，提高强度，并阻挡从煤壁上崩落的煤块；对于破碎煤体采用注浆木锚杆或棕绳配合注浆加固。

综上所述，目前的研究多侧重于优化煤壁力学性能或减弱煤壁受力，未考虑煤壁、顶煤、支架及矸石对上覆岩层的协同支撑效果，尤其在顶煤特性变化对煤壁变形的影响方面的研究较少。

1 采场围岩系统模型

考虑煤壁、顶煤、支架及矸石共同作用，对老顶断裂前后的围岩系统进行建模如图1所示。

Ⅰ—液压支架；Ⅱ—支架上方顶煤；Ⅲ—矸石；Ⅳ—煤壁及上方顶煤；Ⅴ—上覆岩层图1 老顶断裂前后的围岩系统

分析图1可知，老顶断裂前，Ⅱ区顶煤呈散体状态，由于未受顶板回转扰动，相对稳定，呈静散体状态。此时，由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区共同承载，此时支架压力不大，煤壁片帮不严重。

老顶断裂时，Ⅱ区顶煤后方缺乏约束，受顶板回转的强烈扰动，向Ⅲ区运动，由静散体向动散体状态转变。由于Ⅱ、Ⅲ区处于松散状态，两区的承载能力较小，大量综放面实测数据也表明支架此时处于缓慢增阻状态。而由Ⅳ区起主要承载作用，此时支架压力不大，煤壁片帮严重。

老顶断裂后，Ⅳ区上部顶煤被压碎，煤体状态由塑性向散体转变。此时，由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区共同承载，煤壁压力缓解。

进一步重点关注煤壁及其上方顶煤、直接顶在老顶回转压力下的耦合变形。为此，将Ⅳ区进一步细分为Ⅳ1区和Ⅳ2区，Ⅳ1区为煤壁上方顶煤和直接顶，Ⅳ2区为煤壁，如图2所示。

图2 Ⅳ1区和Ⅳ2区耦合变形模型

如果能设法弱化图2中的Ⅳ1区，使其在整个耦合变形中充当保护层的角色，顶煤就能优先变形，对下方煤壁起缓冲保护作用。

分析当前存在的十多种预防片帮措施，大体可以分为两类：一类是为了减小顶板压力，主要包括适当加快工作面推进速度、保证液压支架的初撑力和工作阻力、采用超前支护和带压移架、采用松动爆破或注水弱化老顶；另一类是为了改变Ⅳ2区煤体力学性质，主要包括煤壁注水、充分利用护帮板、采用木锚杆支护+注浆、采用棕绳支护+注浆。当前理论和现场采取的措施主要关注点集中在煤壁本身和煤壁承受载荷上，目前对于弱化Ⅳ1区特性，使其充当缓冲垫层的机理研究十分有限。

2 散体吸能缓冲机理

闫民等建立了散体之间的本构模型，并通过赫兹接触理论和非完全弹性碰撞理论确定了其中的各项参数。在一定范围内的顶煤，由塑性状态转换到散体状态，形成类似于散体之间的本构模型结构。当静载或冲击载荷作用于散体煤块上时，煤块之间摩擦、旋转和挤压，吸收和消耗了大量的能量，减少了能量向下方煤壁传递。

徐连满通过室内准静态压缩试验和冲击载荷试验研究散体的吸能缓冲原理。准静态试验记录到的应力应变曲线呈下凹型，待孔隙压密后，呈现出弹性体的特性。在一般的煤单轴压缩声发射试验中，能在压密阶段检测到密集的声发射信号，而在准静态试验中，观察到更长的压密曲线段。试验表明，呈散体状态的煤体吸能作用比完整的煤体更加明显。

冲击载荷试验通过落球模拟冲击，通过桶底的传感器接收数据，试验中采用了不同粒径和厚度的煤岩散体。试验表明，经缓冲后到达桶底的冲击力随着煤岩散体的块度增大而减小，随着煤岩散体的厚度的增加先明显减少然后趋于稳定。几组试验得到的桶底冲击力仅为无缓冲时的12%～33%，合适的厚度块度组合能达到更好的缓冲吸能效果。

室内准静态试验和冲击载荷试验分别对应于顶板非来压期间和来压期间，上述试验结果具有很大的借鉴意义。

综放开采中，机采高度只占整个煤层高度的一部分，上方顶煤的采出主要靠矿压和支架反复支撑的破碎作用，将处于塑性状态的煤体压酥为散体，最终经放煤口放出。因此处于散体状态下的顶煤可以作为防止煤壁片帮良好的缓冲保护层。

3 综放工作面顶煤分区

综放工作面顶煤可以分为3个区，分别为弹性区、塑性区和散体区，如图3所示。

图3 综放工作面顶煤分区示意图

事实上，上述3个区域的位置受支承压力、煤体力学性质以及顶板特性等的影响。当煤质较软时，支架前方为塑性体，后方为散体；当煤质中硬时，支架前为受损的弹性体，后方为塑性区；当煤质较硬且煤层埋藏较浅时，支架上方往往还是受损的弹性体。

根据上述分析，防止煤壁片帮应该重点关注Ⅳ1区顶煤的特性，而吸能缓冲能力从大到小排序为：散体>塑性体>弹性体。因此，要使大采高放顶煤工作面煤壁片帮得到缓解，关键就在于使塑性区(散体区)前移。

4 高压注水弱化顶煤技术机理

当靠近煤壁的顶煤力学性质被弱化后，其承载能力减弱，竖直应力峰值向内转移，塑性区范围扩大到一定程度，Ⅳ1区的顶煤此时处于散体区，能对下方Ⅳ2区的煤壁起到吸能缓冲作用。

在高压水的作用下，煤体的力学性质会发生弱化，高压注水弱化的机理如下：水在外界压力的作用下首先进入钻孔壁的贯通裂隙，凭借高压使原有裂隙扩展延伸，与此同时和煤体中的亲水矿物结合，从而降低了煤体的强度。当水到达微孔隙处时，外界压力已经衰减到很小，此时毛细管压力开始对渗透起关键作用，毛细水对改变煤体的物理力学性起着关键作用。

根据弹性力学理论，在如图4所示的带圆孔的矩形板四周施加均布载荷，孔周边的切向应力表达式为：

σθ=(1+λ)q0+2(1-λ)q0·cos2θ

(1)

式中：σθ——孔周边的切向应力，MPa；

λ——侧压力系数；

q0——竖向压力，MPa

θ——某一点在极坐标下的角度，(°)。

在圆孔四周施加均布载荷，孔周边的切向应力表达式如下：

σθ=-p

(2)

式中：p——注水压力，MPa。

钻孔注水加压后，孔周边的切向应力大于抗拉强度时，煤体便开始出现裂缝，表达式如下：

|(1+λ)q0+2(1-λ)q0·cos2θ-p|>|Rt|

(3)

式中：Rt——煤体抗拉强度，MPa。

图4 高压注水钻孔受力示意图

5 工程实例

5.1 工程背景

不连沟煤矿F6202大采高综放工作面埋深380 m，工作面长度240 m，煤层倾角约4°，平均厚度约15 m，煤质较硬，裂隙发育。采煤机割煤高度3.8 m，放煤高度11.2 m。工作面推进速度为4 m/d，正常回采期间片帮深度均值1245 mm，片帮次数19次/d；周期来压期间片帮深度均值达到1320 mm，片帮次数24次/d。煤壁上部片帮导致空顶距增加，顶煤破碎冒落，高度可达1.5 m,沿煤壁方向连续冒落长度长达20 m，顶煤清理困难，影响矿井安全生产。

5.2 注水弱化方案

注水被应用于不同目的时，具体操作情况会有所差异。为实现Ⅳ1区弱化，需要给顶煤注水。

图5 钻孔布置方式示意图

由于不连沟矿F6202工作面采用综放开采，工作面长度达240 m，长度超过100 m，因此采用双排孔布置。此外，充分利用瓦斯排放巷向下往顶煤注水，在停止加压注水后，水在重力的作用下还能自动向煤体渗透。注水孔布置方式示意图如图5所示。

为研究注水弱化对减缓煤壁片帮的作用，采用几组不同的弱化系数对顶煤力学参数进行赋值，观察注水后支承压力分布的变化，预测片帮效果。

5.3 数值模拟

根据F6202工作面开采情况和岩性分布特征建立数值模型。模型长度100 m，宽度300 m，工作面机采3.8 m，顶煤11.2 m。煤岩物理力学性能参数见表1。

表1 煤岩物理力学性能参数

在FLAC3D数值模拟软件中，采用快速应力边界法(S-B法)得到原始应力场，然后清除节点位移和速度。工作面分步开挖30 m后，将平衡后的数据文件导入tecplot软件绘制竖直应力等值线图，如图6(a)所示，应力集中系数为2.54。

在注水弱化后，煤体中除了裂隙扩张外，其自身的物理力学参数会发生相应的变化，在本次数值模拟中仅仅考虑注水弱化对煤体自身力学参数的影响。范晋伟发现通过一元线性可以拟合不同含水率下煤体的体积模量、剪切模量、内聚力、抗拉强度和内摩擦角的变化，其中体积模量是随着含水率的增加而增大，其余各项随含水量增加而降低。为了研究不同弱化程度下，煤壁支承压力的分布和大小的变化，拟定了3组弱化系数，见表2。

表2 力学参数弱化系数表

在弱化的条件下，同样工作面分步开挖30 m后，将平衡后的数据文件导入tecplot软件绘制竖直应力等值线图，如图6(b)、(c)和(d)所示，应力集中系数分别为2.34、2.15和1.95。

图6 工作面前方竖直方向应力云图

由图6可以看出，随着对顶煤弱化程度的加大，支承压力峰值不仅在数值上降低，且位置由煤壁前方向后上方(顶煤弱化范围的边界处)移动，最终压力峰值转移到边界处。

煤壁处于塑性区范围内，但仍具有一定的残余强度，保证煤壁不会发生大面积垮落。在非来压期间的采动循环中，每一次开挖都会对煤壁稳定产生一次冲击，而支承应力峰值越小，这种影响越小。来压期间，顶板垮落产生的动载荷会严重影响煤壁稳定性，但弱化为散体区的顶煤能起到吸能防冲的作用，同样也保证了煤壁的稳定性。综上所述，煤壁稳定性因为顶煤的弱化得到较好的改善。

6 结论与建议

6.1 主要结论

(1)针对大采高放顶煤煤壁片帮问题，通过对老顶断裂前后的围岩进行力学建模，得到了Ⅳ1区的特性对控制煤壁片帮的发展起重要作用的结论，并分析了当前对于控制片帮问题多侧重于对Ⅳ2区和老顶给定压力，提出加强对Ⅳ1区认识的观点。

(2)结合散体区吸能防冲的机理和现场经验，提出通过注水弱化Ⅳ1区，并针对不连沟15 m煤层大采高综放开采的片帮问题，初步提出了注水弱化方案。为了验证工程效果，根据F6202工作面的开采情况和岩性分布特征建立数值模型，分析得到弱化程度加大，支承压力减小，并向深处顶煤方向移动的规律。

6.2 研究建议

对于综放工作面，使用基于连续介质的FLAC3D数值模拟软件能够反映竖直应力等矿压表征参数的变化规律，但在位移方面模拟效果不理想，通过离散元数值模拟软件可能得到较为理想的结果。除此之外，此次模拟属于静态模拟，未能体现顶板垮落动载荷的冲击。最后，顶煤弱化超前工作面距离与弱化程度都是影响工程效果的重要因素，可以成为进一步深入研究的内容。

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