煤层开采空间应力分析及组合体压杆稳定性探讨

郭俊生

(山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿，山西 兴县 033602)

在我国一次性大采高工作面采煤技术已经成熟，在高产高效矿井中得到了广泛的应用，但从采煤现场来看，随着一次性采煤高度的增加，煤壁片帮严重，片帮范围从几米至十几米，甚至断续整个工作面，且片帮后，由于空顶距增大，常引发端面冒漏，恶化顶板条件，制约生产。同时，高冒落的煤岩块，还有可能砸坏设备或伤及工作人员，给矿井安全带来隐患。在煤壁片帮机理及防治措施课题中，斜沟煤矿根据8#煤层地质条件，深入研究煤层开采空间应力情况，并利用FLAC3D数值模拟煤壁应力，通过简化支架与煤壁组合体受力情况，从“压杆”理论在形式上以短粗压杆稳定性探讨煤壁挠度和片帮深度，初步摸清了大采高工作面煤壁片帮和端面冒漏机理，为有效防治片漏提出了理论依据。

1 煤岩体空间应力分析

1.1 煤体原始空间应力

井田为一走向近南北，倾向西的单斜构造，地层倾角9°～12°，8#煤层顶板多为砂岩及砂泥岩的复合型顶板，采掘中揭露的顶板煤岩层间，常见明显的构造摩擦镜面，煤层主裂隙带走向一般为186°，倾向276°、倾角53°，构造应力σ构方向为近东西向。此时，煤体内空间三向受力平衡，即∑Fy=0,∑my(F)=0、∑Fx=0,∑mx(F)=0、∑Fz=0,∑mz(F)=0.

1.2 煤体采动空间应力

图1 煤层开采煤壁空间直角坐标交汇应力图

煤层开采煤壁空间直角坐标交汇应力图见图1.由图1可知，在与y轴垂直的两平面上，正应力为σy=KγH=2 700～33 300 KN/m2=2.8～33.3 MPa，切应力为τy；在与x轴垂直的两平面上，正应力为σx=λmaxKγH±σ构，切应力为τx. 此时，煤壁附近煤体内应力面的受力大小，取决于应力集中系数K、侧压系数λ、σ构的大小及方向,应力斜截面走向均垂直于煤壁，应力面均倾向于工作面两顺槽，形成交汇共轭应力面，在煤壁附近煤体内形成相割裂隙，遇煤体内生裂隙时，则加速发育程度。

在与z轴垂直的两平面上，主应力为单向正应力σz=λKγH，此时，煤壁为自由面，抗压强度较小，σzmin应力往往沿煤层结构弱面释放，在煤壁附近煤体内发育水平裂隙；在煤壁附近的煤体深处σzmax=1 269～15 651 KN/m2=1.3～15.7 MPa，应力斜截面走向平行于煤壁，应力面倾向于煤壁，形成裂隙，根据“库仑-莫尔”强度理论,岩体剪切破坏准则可表示为：τz=c+σxtanφ.式中，c为煤体的黏聚力，取2.1，MPa；σy为y轴向的应力，MPa；φ为煤体的内摩擦角，取38.4°，得τz=4.3～28.5 MPa.利用斜直线型强度包络线求得煤壁剪切破坏面与最大主平面的夹角a=45°+φ/2，此时，σzmax应力将向煤壁侧沿α面释放。

在顶板来压期间，煤壁附近煤体应力增大，煤体内部破裂加剧，并伴有“嘣嘣”的响声。在煤壁深处，由于z轴方向的挤压逐渐增大，其抗压强度也逐渐增加，煤壁由近似单向受力状态，逐步过渡到空间三向受力平衡状态，随工作面不断推进时，应力峰值也将稳定地在煤壁深处向前移动。

煤体开采后,由于破坏了原始应力平衡,在煤壁的前方形成了松塌区、松弛区、塑性区、弹性区应力升高部分和弹性区原始应力区等5个区域。煤壁前方松塌区和松弛区为煤体残余强度支撑区，见图2.

1—弹性应力 2—弹塑性应力 Ⅰ—松塌区 Ⅱ—松驰区 Ⅱ、Ⅲ—塑性区 Ⅳ—弹性区应力升高部分 Ⅴ—弹性区原始应力区

利用FLAC3D数值模拟分析，煤壁附近煤体受到应力强度极限后，残余强度仍保持较小的承载能力，支撑应力沿采煤空间呈“C型”分布，见图3.

图3 工作面开采后煤壁应力分布图

1.3 支架与煤壁组合体力学模型

1.4 煤壁片帮深度计算

表1 采高与片帮深度关系计算表

由表1可以看出，随着工作面采高的增加，煤壁片帮预裂深度逐渐加大，也就是说片帮煤体自重力在挣脱顶板和裂隙面的黏结力不断加大。只要在工作面煤壁挠度段加大侧向压力或增强煤壁强度，煤壁的片帮预裂深度就能减小，煤体自重就能减轻。因此，只要有效地控制了煤壁的片帮，就能消除端面冒顶的诱发因素。

2 现场实例

以斜沟煤矿18102工作面为例，该面走向长5 279 m，倾向宽303.2 m. 在工作面老顶初次垮落，采高达到设计的6.3 m后，工作面中间煤壁片帮现象逐渐严重，影响正常生产。根据表1在煤壁最大挠度段施工2倍煤壁片帮深度的小孔径注浆孔并注浆，增强了煤壁强度，控制了煤壁片帮现象。

3 防治措施

1) 采用前梁加伸缩梁，带二级护帮结构，缩小端面距，使护帮板紧密接触煤壁挠度位置，加大煤壁最大挠度位置的侧向受压，进一步控制煤壁挠度段片帮的形成。

2) 保证支架的初撑力，割煤时实行双向邻架自动顺序控制，追机移架，移架采用“带压擦顶移架法”，移动时要一步到位，避免二次降架，通过顶板“建梁”的作用传递给煤壁上方，减少对煤壁的压力。

3) 遇到煤壁片帮严重时，采煤机在割煤过程中，前滚筒降刀割过，减小对煤壁挠度段的干扰力，采煤机割过后，及时打出护帮板；遇到构造应力集中地段时，工作面应留0.7 m厚的顶煤托顶推过，若片帮仍在加剧，应超前预注固安特化学浆，提高顶板和煤壁的整体性及强度。

4 结 论

1) 以原始煤岩体空间应力为基础，列出了采动对原始岩体空间应力影响的关系式，以及采场应力的重新分布，将采煤工作面“支架与煤壁组合体”视为矩型截面，利用压杆公式得出采高与片帮的关系规律，为采场控制片帮提供了依据。

2) 通过加大煤壁侧向受压、加足顶板初撑力提高顶板支护，以及采煤机降刀割过、煤壁预注化学浆提高煤壁挠动段的完整性等措施，有效地控制了煤壁片帮深度，减少了大面积片帮甚至冒顶的诱发因素，给正常生产创造了条件。特别是在地质构造破碎段推进时，工作面日产达到16 508 t，实现了大采高工作面高产稳产的要求。