仰斜煤层煤壁片帮机理分析

杜 勇，谷文伟

(1.淮北矿业股份有限公司 袁店一井煤矿，安徽 淮北 235000；2.安徽理工大学 矿业工程学院，安徽 淮南 232001)

倾斜煤层开采过程中，时常出现顶板大面积垮落和煤壁片帮等现象，严重制约着煤矿的安全生产[1]，因此，掌握倾斜煤层覆岩运移规律和煤壁片帮机理迫在眉睫。对于解决这部分问题，很多专家学者进行了深入研究。伍永平等[2]通过建立煤壁空间受力模型对煤壁片帮机理及“支架-围岩”系统进行研究，并基于工作面的实际生产提出了大倾角软煤综放工作面煤壁片帮防控措施。李建国等[3]以河滩沟煤矿放顶煤工作面为对象，运用力学分析方法，提出俯斜、仰斜开采影响煤壁片帮的力学机理，得出工作面不同推进方向引起的顶板支承压力相对煤壁自由面的位置不同，会造成工作面煤壁出现片帮现象。杨胜利等[4]通过低摩擦实验和数值模拟计算，分析了倾斜长壁工作面，将煤壁分为三种破坏模式，并通过伪俯斜布置来提高煤壁和顶底板的稳定性。罗生虎等[5]针对2130煤矿25221工作面出现的煤壁受载与失稳特征，分析了煤壁片帮在工作面倾斜、垂直方向的形成原因，并结合实际生产情况提出治理措施。马盟等[6]揭示了阳煤一矿S8310综采工作面的煤壁片帮规律，通过数值模拟分析了煤壁片帮和仰采、支护强度及煤体硬度的关系，提出采用俯采和提高支护强度等措施可以有效控制煤壁片帮现象。

本文在已有研究基础上，基于淮北袁店一井煤矿1035工作面的具体工程情况，建立煤壁受力模型，采用FLAC3D数值模拟对缓斜煤层开采过程中顶板的运移特征、采场围岩应力分布和煤壁片帮现象进行深入的研究，为不同倾角煤层开采提供相应的技术依据。

1 工程概况

袁店一井煤矿1035工作面煤层赋存稳定，煤厚2.2～4.4 m，平均厚3.45 m，向斜轴以里煤层倾角12～26°，平均19°；向斜轴以外煤层倾角12～27°，平均23°，本文主要研究向斜轴以外的煤层，为仰采段。老顶为细砂岩，厚3.7～11.1 m，平均5.9 m。直接顶为泥岩，厚2.5～11.9 m，平均6.3 m，致密块状，局部含较多砂质，岩性较脆。伪顶为泥岩，厚0～0.3 m，位于煤层顶部，性软，不稳定。直接底为泥岩，厚4.3 m，岩性软，含较多炭质及植物化石碎片。老底为砂岩，厚13.2 m，岩性较硬。

2 倾斜工作面煤壁受力分析

取袁店一井煤矿1035工作面煤壁侧研究，受覆岩应力和采动影响，在煤壁侧和顶板处产生较大的分布力，煤壁具体受力模型如图1所示。

图1 煤壁侧受力情况

袁店一井煤矿1035工作面顶板结构完整，破坏主要发生在煤壁侧，为简化煤壁侧受力模型，忽略煤壁与顶底板之间的摩擦力，建立如图2所示的煤壁侧沿垂直顶底板方向的弹性梁力学模型。

图2 煤壁侧简化受力模型

根据图2所示的受力模型，取距O点为x的任一截面，其弯矩方程为：

(1)

由弯矩方程可得倾斜煤壁的挠曲线近似微分方程为：

(2)

(3)

+C1x+C2

(4)

式中:ω为挠度；F为垂直工作面的分布力，N；fAZ为支架沿Z方向对煤壁的支承反力，N；q为煤层内力，N；H为工作面采高，m；α为工作面倾角，°；E为弹性模量，N/m2；I为惯性距，m；C1、C2为积分常数。

煤壁的边界条件：在x=0处，ω=0，则C1=0;在x=0处，ω'=0，则C2=0。

将确定的积分常数带入公式(3)、公式(4)，即得梁的转角方程和挠曲线方程分别为：

(5)

(6)

假设x取H/2时，上式可改写成：

(7)

袁店一井煤矿1035工作面向斜轴以外倾角为12～27°，呈递增状态，由公式(7)可知，当上部应力保持一定时，挠度随倾角的增大而增大，当倾角一定时，应力对挠度有直接影响，即ω∝F、ω∝α。

3 数值模拟实验

基于袁店一井煤矿1035工作面的地质情况，在岩石力学参数的基础上优化模型结构，采用FLAC3D数值模拟软件建立三维模型，模拟倾斜煤层仰采阶段的片帮情况，具体模型如图3所示。模型尺寸为：长×宽×高=260 m×210 m×145 m，即对145 m厚的围岩结构进行模拟分析，模拟煤层的下限标高为-327 m、上限标高为-273.5 m,模型的下限标高为-349.5 m，上限标高为-204.5 m，共计10层不同岩性的岩层，可以准确地反映出围岩结构的层状岩性。

图3 数值计算模型

监测垂直应力数据,如图4所示。

图4 工作面不同推进距离垂直应力

由图4可知：开挖5 m时，应力集中范围较小，超前支承压力在工作面前方2.3 m达到峰值，约9.1 MPa，影响范围为6.7 m，应力集中系数为1.11。工作面推进30 m时，应力集中范围变大，超前支承压力在工作面前方8.1 m达到峰值，影响范围将近40 m，应力集中系数为1.54。当工作面推进40 m时，应力峰值及其影响范围变化较小。开挖50～60 m，超前支承压力继续向煤壁深处转移，应力峰值由12.2 MPa增加到14.1 MPa，应力集中系数变化范围为1.49～1.92，影响范围为60～90 m。

当工作面回采一定距离后，采空区后方由于自重应力的影响被重新压实，支承压力峰值增大趋势逐步变缓，具体分布云图如图5所示。这说明工作面一次见方时期，压力显现相对较为明显，建议工作面回采时加强一次见方期间及其后期的顶板管理等安全生产工作。

图5 工作面垂直应力分布云图

为了更加直观的分析袁店一井煤矿1035工作面倾斜煤层开采后的煤壁失稳情况，取工作面在5°、15°和25°情况下的煤壁片帮情况，可得到煤壁位移云图，如图6所示。由图6可知，采高固定在4 m，当煤层倾角从5°增加到15°，煤壁水平位移分布情况变化较小，从15.71 cm增加至18.22 cm，增大了16%；而当煤层倾角从15°增加到25°时，最大水平位移由18.15 cm增加到22.43 cm左右，增大了23.6%，最大水平位移增大了42.8%，可得煤层片帮破坏的倾角临界值为15°，当倾角大于15°时，工作面煤壁水平变形也会显著增加。

工作面开采后，在靠近煤壁附近出现大量的拉伸破坏区，降低了煤体的整体性及承载能力。随着倾角的增大，煤壁片帮现象也更加剧烈，开挖5°煤层时，工作面煤壁片帮现象不明显，煤壁保存较为完整。开挖15°和25°煤层时，煤壁出现片帮现象，并伴随掉渣等情况，特别是在初次来压之前，煤壁破坏十分明显，这是由于倾角增大，导致煤壁内支承压力增大，从而使片帮情况加重。

此外，由图7塑性区发育情况可以看出，随着煤层倾角的增加，工作面煤壁前方塑性区逐渐增加，从煤层倾角5°时的4.8 m增加到煤层倾角25°时的17.4 m，在模拟煤层倾角的范围内，塑性区增长速度随着煤层倾角的增加逐渐增大。同时，随着煤层倾角的增加，顶底板塑性区受到的拉剪破坏范围增大。顶板塑性区面积逐渐增加，同时向工作面右上方偏移，底板塑性区则逐渐向工作面下部扩展，即工作面塑性区主要向工作面前方集中，塑性区逐渐向更高更深的岩体内部发展。综上，随着工作面煤层倾角的增加，工作面前方塑性区范围越大，这就导致工作面越易发生片帮漏顶事故。

由于煤层倾角较大，工作面开采后，上端头煤壁向一侧倾斜，加上煤层整体性及承载能力下降，上端头煤壁发生片帮。下端头煤壁由于内侧煤层的支撑，无明显的片帮现象。加之，工作面宽度为120 m左右，两帮煤壁起到支撑作用，覆岩下沉量从中部向两侧逐渐减小。因此，工作面开采过程中应注意靠近工作面上半部分煤壁片帮的管理，防止煤壁片帮事故的发生。

图7 不同倾角煤层煤壁塑性区

4 片帮防控措施

结合上述特征，基于袁店一井煤矿1035倾斜工作面的实际生产情况，提出以下片帮防控措施：

1) 注浆加固。采用注浆加固，保持顶板的稳定程度，从而提高煤层开挖的连续性，减少上覆岩层运移破坏所造成的片帮现象，保证工作面的连续推进。

2) 增大主动支护。随着工作面开挖深度的加大，上覆岩层的破坏情况更加严重，提高液压支架的初撑力，调整液压支架的位置，使支架顶梁可以顶住煤壁，减少上覆岩层的下沉。

3) 动态监测。采用动态监测设备，对工作面煤壁进行全方位的监测，以便快速掌握工作面压力显现规律，对于片帮情况能够及时监测，防止片帮情况的发生。

1035工作面通过采用以上技术措施，有效控制了煤壁片帮情况的发生，使袁店一井煤矿成功实现煤矿的安全高效生产。

5 结 语

1) 通过理论分析和数值模拟实验，确定仰采工作面上覆岩层的破坏滑移特征，得出工作面开采受倾角的影响，倾角越大，煤壁片帮情况越明显，来压越剧烈，上覆岩层的破坏范围变大，采空区后方顶板破断更加剧烈。

2) 相同开采厚度条件下，煤壁片帮的临界为15°，随着回采的不断进行，煤层倾角逐渐变大，仰采角度变大，煤壁水平位移逐渐增加，即片帮情况加重。超前支承压力的峰值大小逐渐增加，峰值位置离煤壁越来越近，超前支承压力的影响范围也逐渐减小。

3) 工作面中上部顶板的破坏高度大于工作面下部顶板的破坏高度，而工作面中上部底板的破坏深度小于工作下部的底板破坏深度。因此仰采工作面开采时，工作面中上部顶板活动程度大，这也导致工作面中上方的液压支架支撑难度加大，此时须提高液压支架的初撑力，保证支撑到位。由于工作面倾角过大，必须控制液压支架的位态，以防止支架倾倒。