仰采角度對煤壁片幫的影響研究

成辰欣，張 保，呂偉偉，劉金凱，李 騏

（中國礦業大學 （北京）資源與安全工程學院，北京100083）

在仰斜開采工作面的生產過程中，端面穩定性成為我們不可回避的問題，其破壞形式以煤壁片幫為主。煤壁片幫會受到仰采角度的影響，且根據以往經驗，隨著仰采角度的增加，煤壁會變的更加難以控制，發生片幫的機率會明顯加大。本文以梧桐莊礦183309工作面為背景，主要研究仰采角度對煤壁片幫的影響。

1 概況

梧桐莊礦183309工作面為一孤島面，賦存深度為372～585m，工作面長150m，兩側煤柱寬度均是5m，處于背斜構造帶的兩側，因此要經歷仰采和俯采兩個階段，工作面開采前期為仰采階段，仰采角度變化較大，范圍在0°～27°，局部仰角達到30°。開采2＃煤層，煤體較軟，硬度約f＝1，煤層厚2.8～3.6m，平均采高3.3m。采用長壁后退式采煤法，一次采全高，全部垮落法處理采空區。工作面基本情況如圖1所示。

圖1 309工作面基本情況示意圖

2 煤壁片幫機理

309工作面煤壁片幫影響因素如下所示。

2.1 礦壓的作用

309工作面為一孤島工作面，因此在開采之前經歷了兩次采動影響。通過工作面作業規程可知，區段之間留有5m寬的小煤柱，周邊工作面整個推進過程中，309工作面端頭煤體經歷了采動影響和采動穩定兩個階段［1］，分別對應于煤體的受壓和解壓過程，發生了彈塑性變形，因此煤體的整體性遭到一定程度的破壞，內聚力和內摩擦角均降低。

2.2 煤體的強度

煤體的強度包括抗壓、抗拉、抗剪強度等，其強度越大，承載能力也就越大。本煤層煤體較軟，強度較低，受壓后易發生形變。

2.3 工作面推進速度

由于巖石在外力的作用下具有蠕變特性，如果推進速度比較慢，巖石暴露的時間會比較長，因此蠕變產生的塑性變形就比較大，極易引起片幫。此工作面的日進尺為3m，推進速度較慢，給煤壁破壞提供了足夠時間［2］。

2.4 仰斜開采

仰采與俯采對比，仰采的煤壁片幫機率要高，且片幫深度也要大。309工作面現處于仰斜開采階段，超前支承壓力峰值點向工作面方向靠近，使得煤壁受壓增大［3］；仰斜開采煤壁受到重力作用更易向臨空面發生形變，且隨著仰斜角度的增加，受到的影響也將更大。

綜上所述，本身煤體強度較低，又受到來自兩次采動的影響，煤體在開采時已經遭到很嚴重的破壞，裂隙較為發育，有可能為散體煤，加之仰斜開采及孤島環境，支承壓力峰值點前移且壓力較大，在仰角大小達到一定值時，煤壁發生以重力滑落形式為主的破壞［4］。

3 UDEC模擬的建立

鑒于仰角存在一個極限值，建立了以下模型來研究仰角對煤壁片幫的影響［5］。

3.1 建模條件及參數

傾角為10°時，模型的尺寸為70m×37.2919m（長×寬）；傾角為15°時，模型的尺寸為70m×44.1931m（長×寬）；傾角為20°時，模型的尺寸為70m×51.6248m（長×寬）。模型的條件如下所示。

1）模型的上部邊界為應力邊界，模型的頂部承受500m巖層的載荷，即12.5MPa，重力加速度為9.8m／s2。

2）模型的左右邊界固定其水平位移，即有vx＝0，ux＝0。

3）模型的下部邊界固定其水平位移和垂直位移，即有vx＝0，ux＝0，vy＝0，uy＝0。

選取模型的力學參數和本構關系見表1、表2。

表1 巖層的力學參數

表2 節理的力學參數

3.2 不同傾角對煤壁片幫影響的數值模擬分析

模擬選取了10°、15°和20°這三個角度，力學參數相同，在煤壁附近處分別布置了10個測點（表3），主要監測其水平位移，通過其水平位移的大小來判斷煤壁處煤體的破壞情況，進而分析仰斜角度對煤壁片幫的影響。

表3 監測點布置情況

1）仰斜角度為10°時，模型煤壁處變形及煤壁處測點水平位移情況，如圖2、圖3所示。通過模型開挖圖可知，煤體在開挖后，煤壁基本保持在原位。觀測其測點的水平和豎直位移可知，煤壁處煤體向內縮的現象，最大內縮值為0.097m，但經過上覆巖層的運動平衡，最終穩定在了0.062m。此種情況的出現分析原因如下：①煤層較軟，受壓會產生較大的變形；②直接頂及上部巖體形成了類似于懸臂梁結構；③所形成的懸臂梁結構對煤壁有向內的力矩；④開挖后給了足夠的平衡時間。

2）仰斜角度為15°時，模型煤壁處變形及煤壁處測點水平位移情況，如圖4、圖5所示。通過模型開挖圖可知，仰采角度為15°時，煤體開挖后，煤壁處發生了破壞，主要集中在煤壁的中上部。觀測其測點的水平位移可知，煤壁處煤體部分向外移動，且第4監測點的水平位移量最大 為1.35m，最終穩定在1.3m，此點附近的2、4監測點水平位移均比較大。7、8監測點是上下相鄰，7監測點向內側縮，而8監測點向外凸，可判斷破壞深度大約在0.5m。

圖2 仰采角度為10°的模型開挖圖

圖3 煤壁處測點（10°）隨時間變化的水平位移圖

圖4 仰采角度為15°的模型開挖圖

圖5 煤壁處測點（15°）隨時間變化的水平位移圖

3）仰斜角度為20°時，模型在煤壁處變形及煤壁處測點水平位移情況，如圖6、圖7所示。通過模型開挖圖可知，仰采角度為20°時，煤體在開挖后，煤壁處同樣發生了破壞，主要集中在煤壁的中上部。觀測其測點的水平位移可知，煤壁處部分煤體向外移動，且第3監測點的水平位移量最大，達到了1.8m，2、4監測點水平位移也比較大。由6、7監測點內縮，8監測點外凸，對比得其破壞深度在0.5m左右。

圖6 仰采角度為20°的模型開挖圖

圖7 煤壁處測點（20°）隨時間變化的水平位移圖

3.3 UDEC數值模擬分析結論

通過對仰斜開采三個不同的仰斜角度的數值模擬，可知仰斜角度對煤壁片幫的影響相當大，并且存在極限片幫角度，達到其極限片幫角度后，將會發生煤壁片幫。本次數值模擬可得結論如下：仰斜角度對煤壁片幫有著直接影響，超過極限片幫角度后，隨著角度增大煤壁片幫加劇。當傾角為10°時，煤壁基本保持穩定狀態，沒有破壞，而傾角為15°、20°時，煤壁均破壞；煤壁片幫基本發生在距頂板1／3～1／2采高處，更靠近1／3的位置；煤層較軟時，可產生較大的變形，這樣可以起到緩解頂板壓力的作用；本次數值模擬煤壁的極限片幫角度在10°～15°之間；片幫深度大約在0.5m左右。

4 現場觀測

4.1 現場統計

根據相鄰工作面的統計得知，仰斜角度在12°以下時，煤壁發生片幫的機率很小，超過12°以上，煤壁就會變得容易片幫。尤其是隨著仰角的增大，煤壁片幫更加難以控制，必須采取有效的措施進行防治。

4.2 超聲檢測

在煤壁上布置一對相距300mm的超聲檢測孔，鉆孔孔深3m，孔口距頂板1m，與煤壁的夾角為30°，斜向上至頂板。

以超聲檢測所得數據繪制曲線圖如圖8所示，包括波速、波幅、功率譜密度值（PSD）與深度的關系曲線。

圖8 超聲檢測情況

通過曲線可知：0.5～0.9m處出現了波速和PSD異常，波速明顯降低，說明在此位置煤壁內部的完整性較差，對應于與煤壁的垂距大約在0.25～0.45m的位置，可以判定為片幫深度范圍［6］。

由上述可得：模擬所得10°～15°的極限片幫傾角范圍符合現場12°，模擬所得片幫深度也與超聲檢測吻合。

5 結論

1）仰采角度對煤壁片幫影響較大，存在極限片幫角度，并通過現場及模擬知其值在12°左右。

2）仰斜角度在一定范圍內的增大對煤壁片幫深度影響不大，片幫深度值維持在0.5m左右。

3）煤壁片幫主要發生在煤壁的中上部位，這對防治片幫有指導意義，即控制關鍵位置。

［1］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2003.

［2］袁前進.綜放面煤壁片幫的理論分析和防治［J］.煤炭科技，2009（2）：44－47.

［3］陳亮，孟祥瑞，高召寧.大采高綜采工作面煤壁片幫機理分析［J］.煤炭科學技術，2011（5）：18－21.

［4］李建國，田取珍，楊雙鎖.河灘溝煤礦綜放面煤壁片幫機理及其控制［J］.煤炭科學技術，2003（12）：73－75.

［5］田建良.大采高綜采面煤壁片幫機理及控制技術研究［D］.淮南：安徽理工大學，2011.

［6］龍亦安.綜合聲學參數計分評判壩區工程巖體質量的研究［J］.工程勘察，1990（4）：74－78.