矩形巷道掘进中脆性煤壁片帮机理研究

文/边天亮

针对片帮制约工作面顺槽安全高效掘进问题，采用实验室实验、现场实测和理论分析方法相结合，对神华杭锦能源公司塔然高勒煤矿首采面顺槽掘进中的片帮机理进行分析，探索片帮发生的基本类型，并获得每种类型片帮发生的范围及临界条件，揭示影响片帮发生的主要因素，以便采取相应措施，保障矿井安全生产。

一、工程概况

塔然高勒煤矿首采面主采煤层为3-1煤，平均埋深约600m；煤厚平均3.77m，煤层倾角为1°～5°，平均为3°，采用大采高综采工艺。老顶砾岩层平均厚度53.77m；直接顶为砂质泥岩、粉砂岩和中粒砂岩等平均为6.8m，强度较低，稳定性差。目前正在掘进的首采面三条顺槽（辅助运输、回风及胶带运输顺槽）均为矩形布置，其中回采顺槽宽为5000mm，高为3500mm；辅助运输顺槽宽为5500mm，高为3700mm；胶带运输顺槽宽为5500mm，高为3500mm；采用锚杆、锚索、金属网加W钢带进行联合支护。回风顺槽与辅助运输顺槽之间留设30m煤柱。首采面北侧为西翼辅运、胶运、回风大巷，其他相邻处均为煤层实体。目前首采面三条顺槽掘进中分别出现不同程度片帮情况，最深处达到1.5m，一次片帮最大范围为3m2。片帮问题已经成为目前掘进中的主要问题之一，已威胁到掘进工作面的安全生产。

二、掘进工作面片帮机理分析

1. 塔然高勒煤矿3-1煤冲击倾向性测定

在岩石力学实验室中对塔然高勒煤矿3-1煤的冲击倾向性进行测量，4个测量指标包括动态破坏时间DT、冲击能量指数KE、弹性能量指数WET和单轴抗压强度Rc，测量结果如表1所示。根据判定煤层冲击倾向性4个指数各自特性，DT和Rc的权重为0.3，WET和KE的权重各为0.2。

表1 塔然高勒煤矿3-1煤试样冲击倾向性各项指数测定结果

经对各指标进行综合分析，判定3-1煤层属于Ⅱ类，为具有弱冲击倾向性煤层。继而按照国家标准GB/T25217.2-2010《煤的冲击倾向分类及指数的测定方法》中规定的四个指标的等级区间，采用模糊权重评价方法对指标所属区间的隶属度进行计算。经计算，塔然高勒煤矿煤层冲击倾向性的最终隶属度为(0，0.45，0，0.58)，表明3-1煤层虽然为弱冲击倾向性，但由于各冲击倾向性指标处于弱与强等级的交界位置，其冲击倾向性的隶属度很大程度上偏向于强级。因此，塔然高勒煤矿煤层具有较强的储藏弹性能和瞬间释放弹性能的能力。

2. 塔然高勒煤矿地应力测试

采用应力解除法对塔然高勒煤矿的地应力进行测试，选取三个测点，各测点基本情况如表2所示。垂直主应力σV的大小约为最大水平主应力σH的1.19～1.22倍，应力场特征为σV>σH>σh，塔然高勒煤矿地应力场以垂直应力为主。由“最大主应力原理”可知，此类型地应力场对巷道两帮的稳定最为不利。

三、塔然高勒煤矿片帮机理的理论分析

1. 模型的建立

（1）不考虑煤壁垂直方向压缩变形。数值模拟结果表明，当巷道高度为3.7m时，完整性较好的中硬煤壁的压缩变形量最大值为2.8cm，对挠度的影响较小，分析此类煤壁的挠度特征时可不考虑煤壁压缩变形量对挠度的影响。

（2）不考虑重力对煤壁的影响。相较垂直应力的影响，重力对煤壁挠度的影响较小，为简化分析模型，不考虑重力对煤壁的影响。

（3）不考虑水平应力对煤壁的影响。

由首采面顺槽的煤壁附近主应力分布（见图1）可知，在顺槽煤壁的上部，最大主应力方向与垂直方向有一定夹角，且偏向远离巷道的方向；煤壁中部最大主应力方向基本垂直，而煤壁下部最大主应力方向与垂直方向有一定夹角，且偏向巷道的方向。顺槽煤壁的上部和下部受到的主应力大小和方向呈对称分布，因此煤壁所受水平方向的外力大小相等，方向相反，互相抵消。

基于以上的简化，对于完整性较好的中硬煤壁，分析顶板压力作用下煤壁的挠度特征时可以简化为一端弹性支承，一端刚性固定的受压弹性杆。

2. 片帮位置分析

实际可知，边界条件为一端铰支、另一端固支时，煤壁侧向变形曲线为正弦半波，其侧向位移最大值点距巷道顶板0.35h处。当顶板压力继续增加，煤壁将首先从距顶板0.35h处失稳。

表2 塔然高勒煤矿地应力测点基本情况

图1 试采工作面掘进巷道周围最大主应力分布情况

3. 片帮范围分析

在煤岩的单轴压缩试验中，试样的破坏分为以下三种形式：x状共轭斜面剪切破坏、单斜面剪切破坏和拉伸破坏。对于前两种破坏形式，破坏面与水平面的夹角为45°+φ/2，其中φ为煤岩的内摩擦角。与此相似，井下的片帮同样是以煤壁的剪切破坏和拉伸破坏为主，分为剪切型片帮、剪切型片帮及冒顶、拉伸型片帮；而剪切型片帮根据破坏形式的不同，又可分为共轭剪切型片帮和单斜面剪切型片帮。

与实验室观察到的现象相对应，巷道煤壁在顶板压力作用下，在与水平面成45°+φ/2夹角的斜面上剪应力最大，首先产生一组与水平面成45°+φ/2夹角的滑移线。由于在煤壁上方0.35倍巷道高度位置横向位移最大，所以沿此处的滑移线最先发生破坏。用S表示片帮深度，φ表示煤体的内摩擦角，由公式（1）可以看出，剪切型片帮深度是巷高和煤层自身性质(即内摩擦角)的函数，和受到的垂直应力的大小无关，并且共轭剪切型片帮的范围是巷道顶板向下0～0.7h这段距离；单斜面剪切型片帮的范围是巷道顶板向下0～0.35h这段距离。

拉伸型片帮通常是整个煤壁同时发生破坏。而对于拉伸型片帮的深度，目前尚没有较好的计算公式。通过现场实际观察，通常它小于剪切型片帮的深度，一般在0.2～0.5m之间。

4. 片帮临界条件分析

通过上述分析，得出煤壁片帮深度的计算公式，并且获得了片帮形式主要包括剪切型和拉伸型两种，针对这两种片帮形式，对片帮发生的临界条件进行分析。

首先，采用莫尔强度理论，分析剪切型片帮的临界条件。基于片帮的压杆模型可知，煤壁主要受到垂直主应力σ1的作用，水平主应力σ2=0。则片帮滑移面上的正应力σα和剪应力τα可由公式（2）求得：

在垂直应力作用下，剪切型片帮形成的滑移面的外法线方向和最大主应力的夹角α为45°+φ/2。将上式和α=45°+φ/2代入库伦-莫尔强度理论τ=c+σtanφ，可以得到：

其中，σcr为剪切型片帮发生的临界垂直应力，φ为煤的内摩擦角，c为内聚力。

整理可得：

由上式，σcr是由煤的自身性质，即内聚力和内摩擦角决定的，且临界垂直应力与内聚力和内摩擦角均为正相关；由公式（5）可以求得片帮发生的临界埋深Hcr：

其中，γ为上覆岩层的平均重力密度，通常=0.027MN/m3。当井下巷道的实际埋深H0Hcr时片帮发生。

因此，当垂直应力σ1同时满足σ1>σt/μ和σ1>σc时，即会发生拉伸型片帮。并且通过计算可知，发生拉伸型片帮与剪切型片帮相似，取决于煤壁受到的垂直应力以及煤体的自身性质。但区别在于，决定拉伸型片帮的煤体自身性质是泊松比、抗拉强度和单轴抗压强度。

四、现场实测

据对塔然高勒煤矿掘进工作面煤壁片帮的现场观测表明：在掘进西翼回风大巷和掘进首采面三条顺槽的初期，片帮现象较少；随着掘进工作面的推进，片帮显现更为剧烈，但煤壁片帮深度一般小于1.0m，位于煤壁上部和上方拐角处；随着掘锚机不断的截割煤壁，两帮及掘进迎头的煤体向巷道空间内弹射，并伴随有“噼啪”声，局部片帮伴随有冒顶现象，最大片帮深度达到1.5m，在掘进面割煤后两个小时，片帮尤为严重。

由实验室实验测定结果可知，3-1煤的内聚力c为4.9MPa，内摩擦角φ为24°，单轴抗压强度σc为21.99MPa，抗拉强度σt为1.21MPa，泊松比μ为0.18。首采面三条顺槽中，胶运和回风顺槽的巷高为3.5m，辅运顺槽的巷高为3.7m。

由精查地质报告和采掘工程平面图可知，胶运顺槽的埋深约为562～637m；回风顺槽的埋深约为573～637m；辅运顺槽的埋深约为570～634m，三条顺槽沿着掘进方向埋深不断增大。

因此，三条顺槽所处的埋深满足剪切型片帮的发生条件，但不满足拉伸型片帮的发生条件，从而表明塔然高勒煤矿掘进中多发生剪切型片帮，这和井下实际观察到的片帮情况相吻合。

随着掘进工作面的不断推进，埋深加大导致巷道煤壁受到的垂直应力相应增大，从而片帮程度逐渐加大。而塔然高勒煤矿掘进面片帮的同时伴随有煤块弹射的原因是3-1煤层具有较高的冲击倾向性。

五、结论

据实验室实验、现场实测和理论分析可知，塔然高勒煤矿掘进面片帮的主要原因是其埋深达到了片帮发生的临界埋深；3-1煤层具有较高的冲击倾向性使得煤壁片帮发生时伴随煤块向巷道空间内抛射。这为采取相应防治措施，保障矿井安全生产提供了依据。