分析特殊地质条件下大倾角综采工作面煤壁破坏机理

陈继杰

(山西煤炭运销集团寿阳亨元煤业有限公司，山西 晋中 045400)

从我国目前煤炭开采的实际情况分析了解到，大倾角煤层在我国占比相对较大，且产量丰富，不过由于开采难度较大，为开采工作的开展带来了阻碍，很容易导致危险问题的产生。所以应结合地质条件特征、围岩结构及移动特点等因素，对其予以综合分析和考虑，以降低开采威胁，维护工作人员的生命安全，提高生产效率。

1 煤矿开采工程所在场区的地质结构条件

以某煤矿开采工程为例。该工程中的8#煤层处于场区内内流河第六段第四亚段底部，是整个综采工作面的主采煤层。经过实地勘测可知，煤层埋深在250 m～360 m范围内，局部区域甚至超过360 m。综采工作面的总体长度约185 m，推进长度在950 m以上，煤层的厚度控制在1.5 m～3.2 m，通过准确计算，平均厚度确定在1.65 m。

伪顶由泥质粉砂岩层构成，不均匀分布大量煤屑，且煤屑覆盖厚度在0.35 m～0.68 m。直顶结构以泥质粉砂岩层结构为主，其厚度约2.5 m，老顶结果则是由细砂岩组成，厚度在2.5 m～7.5 m；老底结构为泥质粉砂岩和粉砂岩混合体，厚度达到5 m左右。

2 煤壁片帮与顶板冒落事故

煤层所处地区的地质条件较为复杂，混合型岩层结构较多，这使得开采作业遇到较大阻碍。在开采到80 m位置时，因地质结构复杂性带来了阻碍。受到曲折构造的影响，开采人员不得不临时改变预设的沿工作面推进方向进行开采作业的计划，并且调整底板倾斜角度。由此，开采作业面临着爬坡问题。在对现场进行勘探测量后发现，现场平均坡度可达到15°左右，部分区域的坡度已经达到了25°[1]。

在开展地质构造带的开采工作时，因为受到坡脚较大、周期性压力及褶曲构造等因素的影响，导致综采工作面上存在大面积的煤壁片帮问题，经测量后，了解到片帮的测量深度在3.5 m～8.5 m。片帮的产生会导致综采工作面开采中，裸露在外的顶板因支护作业不到位而出现顶板脱漏等危险事故，增大施工危险系数。另外，也正是因为这一环境条件，使得其中一段综采工作面在施工中存在大体积矸石坠落的情况，不仅威胁了区域内的施工安全，同时也造成机械设备的大面积破损，增加不必要的成本支出。

3 大倾角综采工作面煤壁破坏事故诱因

3.1 煤壁破坏机理

通常情况下，在综采工作面中不会存在较多大面积煤壁片帮或顶板冒落等危险事故，不过鉴于其对综采工作面安全施工带来的影响，施工人员应结合实际情况制定合理的防控措施，减少伤亡和损失的形成。煤壁片帮及顶板冒落问题的产生主要是由于综采工作面所处区域地质条件特殊，或存在间歇性压力导致的。在本次研究案例中，底板爬坡中遇到了发育不良的地质结构，其在作业中出现煤壁片帮现象。具体而言，本工程中煤壁片帮的种类有整体片帮和部分片帮这两种。

整体片帮出现在上部结构中，且深度较大，已经达到8.2 m左右；下部结构则存在较为严重的部分片帮情况。煤壁片帮问题带来的影响有拉裂损伤和剪切损伤两种。在综采工作面开挖作业中，煤壁片帮的产生会使开挖作业中产生的压力超过原岩石层的支撑压力，待其超过岩层最大承受范围后，就会导致煤壁存在不同程度的破坏，且随着支撑压力的增大，破坏程度也会逐渐加大。当顶板载荷达到一定标准，煤壁表面会沿滑移面出现外部延展形变与蠕动，一旦形变量与蠕动量超过限定标准，则会导致剪切滑移破坏[2]。

在开采作业中，滑移面多是以不规则的圆弧形曲面为主的，为确保计算准确性和便利性，在力学分析中会将滑移面看做是平面ab。假设煤壁上部承载负荷力q-0，煤壁稳定极限高度为185 m。当煤壁顶部受到顶板均布荷载的影响时，要想保证煤壁的稳性，需将结构所能承受的荷载极限设置在2.78 MPa左右。一般情况下，影响煤壁稳定性的因素可划分为以下三种：1) 煤层节理发育情况；2) 煤壁耐受高度；3) 煤层顶板压力。

3.2 构建煤壁剪切破坏力学模型

当仰角超过一定限度，且达到煤壁耐受限值，会导致剪切破坏问题。一般煤壁的滑移面为不规则圆弧曲面，为便于计算，将剪切滑移面简化为平面ab。在煤壁高度限制下，最终计算误差逐渐缩小。之后结合摩尔库伦理论的相关知识可知，滑动块体稳定性判定系数，是由滑移面抗滑能力参数与滑动力计算得出的，将滑动块体稳定判定系数设为W，滑移面抗滑力为T，滑动力为S，其计算公式为：W=T/S。

通过计算结果可以看出，当W小于1时，煤壁的稳定性被破坏，而当W大于1时，煤壁处于稳定状态下。这足以说明，煤壁稳定性与滑动块体稳定判定系数之间呈正比例关系，即滑动块体稳定判定系数越大，煤壁的稳定性也就越强，相反，判定系数越小，稳定性越差。另外，由于顶板对滑动块体的压力要比滑动块体自身重力大很多，所以在计算时会直接忽略滑动块体的自重[3]。

3.3 煤壁稳定性判定系数影响因素

该综采工作面的基础数据如下所示：H=1.6 m,α=15°,c=0.8 MPa，φ=30°，q=1.4 MPa，单轴压缩下剪切破坏角β=45°。在其余参数不变的情况下，改变顶板压力q、内摩擦角φ和内聚力c的大小，综合分析其对稳定性判定系数W的影响。

在保证其余系数不变的情况下，对顶板压力、摩擦角及内聚力系数予以转变以此次来判断其对稳定性判定系数带来的影响。综合最终结果可知：当其余参数保持恒定时，顶板压力与稳定性判定系数呈反比例关系，即顶板压力越大，稳定性判定系数越小；当顶板压力达到0.96 MPa时，稳定性判定系数为1，说明煤壁稳定系数已经达到临界点，也可以确定，煤壁最大的承受压力就在0.96 MPa左右[4]。

在其余参数保持不变的情况下，内聚力与稳定性判定系数呈线性增加，即内聚力越大，稳定性判定系数就越大；当内聚力达到1.2 MPa时，稳定性判定系数为1，即煤壁尚未达到完全稳定状态。由此可知，若煤层内聚力小于1.2 MPa，煤壁极易发生破坏。

在其余参数保持不变的情况下，煤壁稳定性判定系数、煤壁所能承受的顶板压力和综采工作面底板爬坡角度的物理学线性关系如下所述。

在其余参数保持不变的情况下，综采工作面底板爬坡角度与煤壁稳定性判定系数呈反比例关系，即综采工作面底板爬坡角度越大，煤壁稳定性判定系数越小；当底板爬坡角度大于9°时，稳定性判定系数为1，即煤壁尚未达到稳定状态。

综采工作面爬坡角度与煤壁所能承受的顶板压力呈反比例关系，即综采工作面底板爬坡角度越小，煤壁所能承受的顶板压力越大；当底板爬坡角度大于9°时,煤壁所能承受的顶板压力小于1.4 MPa，这表明该种状态下，煤壁所能承受的顶板压力限值未达到煤壁稳定性标准要求，随时都有可能出现局部片帮事故[5]。

当综采工作面的周期性压力超过基本顶的耐受限度，会导致顶板断裂下沉，进而增大煤壁顶板的压力，削弱防护支架的支护强度，增大风险系数。在发生小规模煤壁片帮事故时，如果裸露顶板支护不及时、不到位，极易导致顶板冒落，诱发大面积顶板冒落事故。

针对这种情况，应采取如下几方面处理措施：1) 加大综采工作面防护支架的支护强度，尽可能的缩小空顶距；2) 综采工作面适当留取底煤，减小防护支架的仰斜角度；3) 在必要情况下，对煤壁进行注浆加固处理，增强煤壁安全稳固性与顶板支撑力，确保开采作业安全。

4 结语

1) 该综采工作面煤壁破坏形式以剪切破坏为主。通过构建三维立体力学模型，增大综采工作面防护支架的防护强度，降低煤壁压力系数，有助于煤壁处于稳定状态。需要格外强调的是，煤壁高度对于煤壁安全稳固性的影响较小。

2) 通过构建煤壁剪切破坏力学模型可知，综采工作面爬坡角度、煤壁所能承受的压力限值与煤壁稳定性判定系数之间存在着紧密联系。由此可知，顶板压力是破坏煤壁完整性与安全性的关键因素之一。具体来说，综采工作面爬坡角度越大，煤壁所能承受的压力越小，发生局部片帮事故的概率越高。此外，煤体内摩擦角、内聚力以及煤壁所能承受的顶板压力越大，煤壁稳定性判定系数越大。这也代表煤壁稳定性越强，发生煤壁片帮事故的概率越小。