煤層開采空間應力分析及組合體壓桿穩定性探討

郭俊生

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 興縣 033602)

在我國一次性大采高工作面采煤技術已經成熟，在高產高效礦井中得到了廣泛的應用，但從采煤現場來看，隨著一次性采煤高度的增加，煤壁片幫嚴重，片幫范圍從幾米至十幾米，甚至斷續整個工作面，且片幫后，由于空頂距增大，常引發端面冒漏，惡化頂板條件，制約生產。同時，高冒落的煤巖塊，還有可能砸壞設備或傷及工作人員，給礦井安全帶來隱患。在煤壁片幫機理及防治措施課題中，斜溝煤礦根據8#煤層地質條件，深入研究煤層開采空間應力情況，并利用FLAC3D數值模擬煤壁應力，通過簡化支架與煤壁組合體受力情況，從“壓桿”理論在形式上以短粗壓桿穩定性探討煤壁撓度和片幫深度，初步摸清了大采高工作面煤壁片幫和端面冒漏機理，為有效防治片漏提出了理論依據。

1 煤巖體空間應力分析

1.1 煤體原始空間應力

井田為一走向近南北，傾向西的單斜構造，地層傾角9°～12°，8#煤層頂板多為砂巖及砂泥巖的復合型頂板，采掘中揭露的頂板煤巖層間，常見明顯的構造摩擦鏡面，煤層主裂隙帶走向一般為186°，傾向276°、傾角53°，構造應力σ構方向為近東西向。此時，煤體內空間三向受力平衡，即∑Fy=0,∑my(F)=0、∑Fx=0,∑mx(F)=0、∑Fz=0,∑mz(F)=0.

1.2 煤體采動空間應力

圖1 煤層開采煤壁空間直角坐標交匯應力圖

煤層開采煤壁空間直角坐標交匯應力圖見圖1.由圖1可知，在與y軸垂直的兩平面上，正應力為σy=KγH=2 700～33 300 KN/m2=2.8～33.3 MPa，切應力為τy；在與x軸垂直的兩平面上，正應力為σx=λmaxKγH±σ構，切應力為τx. 此時，煤壁附近煤體內應力面的受力大小，取決于應力集中系數K、側壓系數λ、σ構的大小及方向,應力斜截面走向均垂直于煤壁，應力面均傾向于工作面兩順槽，形成交匯共軛應力面，在煤壁附近煤體內形成相割裂隙，遇煤體內生裂隙時，則加速發育程度。

在與z軸垂直的兩平面上，主應力為單向正應力σz=λKγH，此時，煤壁為自由面，抗壓強度較小，σzmin應力往往沿煤層結構弱面釋放，在煤壁附近煤體內發育水平裂隙；在煤壁附近的煤體深處σzmax=1 269～15 651 KN/m2=1.3～15.7 MPa，應力斜截面走向平行于煤壁，應力面傾向于煤壁，形成裂隙，根據“庫侖-莫爾”強度理論,巖體剪切破壞準則可表示為：τz=c+σxtanφ.式中，c為煤體的黏聚力，取2.1，MPa；σy為y軸向的應力，MPa；φ為煤體的內摩擦角，取38.4°，得τz=4.3～28.5 MPa.利用斜直線型強度包絡線求得煤壁剪切破壞面與最大主平面的夾角a=45°+φ/2，此時，σzmax應力將向煤壁側沿α面釋放。

在頂板來壓期間，煤壁附近煤體應力增大，煤體內部破裂加劇，并伴有“嘣嘣”的響聲。在煤壁深處，由于z軸方向的擠壓逐漸增大，其抗壓強度也逐漸增加，煤壁由近似單向受力狀態，逐步過渡到空間三向受力平衡狀態，隨工作面不斷推進時，應力峰值也將穩定地在煤壁深處向前移動。

煤體開采后,由于破壞了原始應力平衡,在煤壁的前方形成了松塌區、松弛區、塑性區、彈性區應力升高部分和彈性區原始應力區等5個區域。煤壁前方松塌區和松弛區為煤體殘余強度支撐區，見圖2.

1—彈性應力 2—彈塑性應力 Ⅰ—松塌區 Ⅱ—松馳區 Ⅱ、Ⅲ—塑性區 Ⅳ—彈性區應力升高部分 Ⅴ—彈性區原始應力區

利用FLAC3D數值模擬分析，煤壁附近煤體受到應力強度極限后，殘余強度仍保持較小的承載能力，支撐應力沿采煤空間呈“C型”分布，見圖3.

圖3 工作面開采后煤壁應力分布圖

1.3 支架與煤壁組合體力學模型

1.4 煤壁片幫深度計算

表1 采高與片幫深度關系計算表

由表1可以看出，隨著工作面采高的增加，煤壁片幫預裂深度逐漸加大，也就是說片幫煤體自重力在掙脫頂板和裂隙面的黏結力不斷加大。只要在工作面煤壁撓度段加大側向壓力或增強煤壁強度，煤壁的片幫預裂深度就能減小，煤體自重就能減輕。因此，只要有效地控制了煤壁的片幫，就能消除端面冒頂的誘發因素。

2 現場實例

以斜溝煤礦18102工作面為例，該面走向長5 279 m，傾向寬303.2 m. 在工作面老頂初次垮落，采高達到設計的6.3 m后，工作面中間煤壁片幫現象逐漸嚴重，影響正常生產。根據表1在煤壁最大撓度段施工2倍煤壁片幫深度的小孔徑注漿孔并注漿，增強了煤壁強度，控制了煤壁片幫現象。

3 防治措施

1) 采用前梁加伸縮梁，帶二級護幫結構，縮小端面距，使護幫板緊密接觸煤壁撓度位置，加大煤壁最大撓度位置的側向受壓，進一步控制煤壁撓度段片幫的形成。

2) 保證支架的初撐力，割煤時實行雙向鄰架自動順序控制，追機移架，移架采用“帶壓擦頂移架法”，移動時要一步到位，避免二次降架，通過頂板“建梁”的作用傳遞給煤壁上方，減少對煤壁的壓力。

3) 遇到煤壁片幫嚴重時，采煤機在割煤過程中，前滾筒降刀割過，減小對煤壁撓度段的干擾力，采煤機割過后，及時打出護幫板；遇到構造應力集中地段時，工作面應留0.7 m厚的頂煤托頂推過，若片幫仍在加劇，應超前預注固安特化學漿，提高頂板和煤壁的整體性及強度。

4 結 論

1) 以原始煤巖體空間應力為基礎，列出了采動對原始巖體空間應力影響的關系式，以及采場應力的重新分布，將采煤工作面“支架與煤壁組合體”視為矩型截面，利用壓桿公式得出采高與片幫的關系規律，為采場控制片幫提供了依據。

2) 通過加大煤壁側向受壓、加足頂板初撐力提高頂板支護，以及采煤機降刀割過、煤壁預注化學漿提高煤壁撓動段的完整性等措施，有效地控制了煤壁片幫深度，減少了大面積片幫甚至冒頂的誘發因素，給正常生產創造了條件。特別是在地質構造破碎段推進時，工作面日產達到16 508 t，實現了大采高工作面高產穩產的要求。