分析特殊地質條件下大傾角綜采工作面煤壁破壞機理

陳繼杰

(山西煤炭運銷集團壽陽亨元煤業有限公司，山西 晉中 045400)

從我國目前煤炭開采的實際情況分析了解到，大傾角煤層在我國占比相對較大，且產量豐富，不過由于開采難度較大，為開采工作的開展帶來了阻礙，很容易導致危險問題的產生。所以應結合地質條件特征、圍巖結構及移動特點等因素，對其予以綜合分析和考慮，以降低開采威脅，維護工作人員的生命安全，提高生產效率。

1 煤礦開采工程所在場區的地質結構條件

以某煤礦開采工程為例。該工程中的8#煤層處于場區內內流河第六段第四亞段底部，是整個綜采工作面的主采煤層。經過實地勘測可知，煤層埋深在250 m～360 m范圍內，局部區域甚至超過360 m。綜采工作面的總體長度約185 m，推進長度在950 m以上，煤層的厚度控制在1.5 m～3.2 m，通過準確計算，平均厚度確定在1.65 m。

偽頂由泥質粉砂巖層構成，不均勻分布大量煤屑，且煤屑覆蓋厚度在0.35 m～0.68 m。直頂結構以泥質粉砂巖層結構為主，其厚度約2.5 m，老頂結果則是由細砂巖組成，厚度在2.5 m～7.5 m；老底結構為泥質粉砂巖和粉砂巖混合體，厚度達到5 m左右。

2 煤壁片幫與頂板冒落事故

煤層所處地區的地質條件較為復雜，混合型巖層結構較多，這使得開采作業遇到較大阻礙。在開采到80 m位置時，因地質結構復雜性帶來了阻礙。受到曲折構造的影響，開采人員不得不臨時改變預設的沿工作面推進方向進行開采作業的計劃，并且調整底板傾斜角度。由此，開采作業面臨著爬坡問題。在對現場進行勘探測量后發現，現場平均坡度可達到15°左右，部分區域的坡度已經達到了25°[1]。

在開展地質構造帶的開采工作時，因為受到坡腳較大、周期性壓力及褶曲構造等因素的影響，導致綜采工作面上存在大面積的煤壁片幫問題，經測量后，了解到片幫的測量深度在3.5 m～8.5 m。片幫的產生會導致綜采工作面開采中，裸露在外的頂板因支護作業不到位而出現頂板脫漏等危險事故，增大施工危險系數。另外，也正是因為這一環境條件，使得其中一段綜采工作面在施工中存在大體積矸石墜落的情況，不僅威脅了區域內的施工安全，同時也造成機械設備的大面積破損，增加不必要的成本支出。

3 大傾角綜采工作面煤壁破壞事故誘因

3.1 煤壁破壞機理

通常情況下，在綜采工作面中不會存在較多大面積煤壁片幫或頂板冒落等危險事故，不過鑒于其對綜采工作面安全施工帶來的影響，施工人員應結合實際情況制定合理的防控措施，減少傷亡和損失的形成。煤壁片幫及頂板冒落問題的產生主要是由于綜采工作面所處區域地質條件特殊，或存在間歇性壓力導致的。在本次研究案例中，底板爬坡中遇到了發育不良的地質結構，其在作業中出現煤壁片幫現象。具體而言，本工程中煤壁片幫的種類有整體片幫和部分片幫這兩種。

整體片幫出現在上部結構中，且深度較大，已經達到8.2 m左右；下部結構則存在較為嚴重的部分片幫情況。煤壁片幫問題帶來的影響有拉裂損傷和剪切損傷兩種。在綜采工作面開挖作業中，煤壁片幫的產生會使開挖作業中產生的壓力超過原巖石層的支撐壓力，待其超過巖層最大承受范圍后，就會導致煤壁存在不同程度的破壞，且隨著支撐壓力的增大，破壞程度也會逐漸加大。當頂板載荷達到一定標準，煤壁表面會沿滑移面出現外部延展形變與蠕動，一旦形變量與蠕動量超過限定標準，則會導致剪切滑移破壞[2]。

在開采作業中，滑移面多是以不規則的圓弧形曲面為主的，為確保計算準確性和便利性，在力學分析中會將滑移面看做是平面ab。假設煤壁上部承載負荷力q-0，煤壁穩定極限高度為185 m。當煤壁頂部受到頂板均布荷載的影響時，要想保證煤壁的穩性，需將結構所能承受的荷載極限設置在2.78 MPa左右。一般情況下，影響煤壁穩定性的因素可劃分為以下三種：1) 煤層節理發育情況；2) 煤壁耐受高度；3) 煤層頂板壓力。

3.2 構建煤壁剪切破壞力學模型

當仰角超過一定限度，且達到煤壁耐受限值，會導致剪切破壞問題。一般煤壁的滑移面為不規則圓弧曲面，為便于計算，將剪切滑移面簡化為平面ab。在煤壁高度限制下，最終計算誤差逐漸縮小。之后結合摩爾庫倫理論的相關知識可知，滑動塊體穩定性判定系數，是由滑移面抗滑能力參數與滑動力計算得出的，將滑動塊體穩定判定系數設為W，滑移面抗滑力為T，滑動力為S，其計算公式為：W=T/S。

通過計算結果可以看出，當W小于1時，煤壁的穩定性被破壞，而當W大于1時，煤壁處于穩定狀態下。這足以說明，煤壁穩定性與滑動塊體穩定判定系數之間呈正比例關系，即滑動塊體穩定判定系數越大，煤壁的穩定性也就越強，相反，判定系數越小，穩定性越差。另外，由于頂板對滑動塊體的壓力要比滑動塊體自身重力大很多，所以在計算時會直接忽略滑動塊體的自重[3]。

3.3 煤壁穩定性判定系數影響因素

該綜采工作面的基礎數據如下所示：H=1.6 m,α=15°,c=0.8 MPa，φ=30°，q=1.4 MPa，單軸壓縮下剪切破壞角β=45°。在其余參數不變的情況下，改變頂板壓力q、內摩擦角φ和內聚力c的大小，綜合分析其對穩定性判定系數W的影響。

在保證其余系數不變的情況下，對頂板壓力、摩擦角及內聚力系數予以轉變以此次來判斷其對穩定性判定系數帶來的影響。綜合最終結果可知：當其余參數保持恒定時，頂板壓力與穩定性判定系數呈反比例關系，即頂板壓力越大，穩定性判定系數越小；當頂板壓力達到0.96 MPa時，穩定性判定系數為1，說明煤壁穩定系數已經達到臨界點，也可以確定，煤壁最大的承受壓力就在0.96 MPa左右[4]。

在其余參數保持不變的情況下，內聚力與穩定性判定系數呈線性增加，即內聚力越大，穩定性判定系數就越大；當內聚力達到1.2 MPa時，穩定性判定系數為1，即煤壁尚未達到完全穩定狀態。由此可知，若煤層內聚力小于1.2 MPa，煤壁極易發生破壞。

在其余參數保持不變的情況下，煤壁穩定性判定系數、煤壁所能承受的頂板壓力和綜采工作面底板爬坡角度的物理學線性關系如下所述。

在其余參數保持不變的情況下，綜采工作面底板爬坡角度與煤壁穩定性判定系數呈反比例關系，即綜采工作面底板爬坡角度越大，煤壁穩定性判定系數越小；當底板爬坡角度大于9°時，穩定性判定系數為1，即煤壁尚未達到穩定狀態。

綜采工作面爬坡角度與煤壁所能承受的頂板壓力呈反比例關系，即綜采工作面底板爬坡角度越小，煤壁所能承受的頂板壓力越大；當底板爬坡角度大于9°時,煤壁所能承受的頂板壓力小于1.4 MPa，這表明該種狀態下，煤壁所能承受的頂板壓力限值未達到煤壁穩定性標準要求，隨時都有可能出現局部片幫事故[5]。

當綜采工作面的周期性壓力超過基本頂的耐受限度，會導致頂板斷裂下沉，進而增大煤壁頂板的壓力，削弱防護支架的支護強度，增大風險系數。在發生小規模煤壁片幫事故時，如果裸露頂板支護不及時、不到位，極易導致頂板冒落，誘發大面積頂板冒落事故。

針對這種情況，應采取如下幾方面處理措施：1) 加大綜采工作面防護支架的支護強度，盡可能的縮小空頂距；2) 綜采工作面適當留取底煤，減小防護支架的仰斜角度；3) 在必要情況下，對煤壁進行注漿加固處理，增強煤壁安全穩固性與頂板支撐力，確保開采作業安全。

4 結語

1) 該綜采工作面煤壁破壞形式以剪切破壞為主。通過構建三維立體力學模型，增大綜采工作面防護支架的防護強度，降低煤壁壓力系數，有助于煤壁處于穩定狀態。需要格外強調的是，煤壁高度對于煤壁安全穩固性的影響較小。

2) 通過構建煤壁剪切破壞力學模型可知，綜采工作面爬坡角度、煤壁所能承受的壓力限值與煤壁穩定性判定系數之間存在著緊密聯系。由此可知，頂板壓力是破壞煤壁完整性與安全性的關鍵因素之一。具體來說，綜采工作面爬坡角度越大，煤壁所能承受的壓力越小，發生局部片幫事故的概率越高。此外，煤體內摩擦角、內聚力以及煤壁所能承受的頂板壓力越大，煤壁穩定性判定系數越大。這也代表煤壁穩定性越強，發生煤壁片幫事故的概率越小。