水壓致裂煤層煤壁穩(wěn)定性的研究

賈禮祥

（西山煤電集團(tuán)公司屯蘭礦，山西 太原030200）

0 引言

煤炭產(chǎn)業(yè)在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要位置，一方面由于煤炭是我國主要能源的來源，另一方面我國的煤炭儲存量豐富，約占世界煤炭存儲量的37%[1-3]。受全球經(jīng)濟(jì)形勢的影響，我國的煤礦企業(yè)都在積極的采取措施，增加企業(yè)效益，其中增加塊煤率被廣泛認(rèn)為是一種直接、有效的方法。現(xiàn)有的開采技術(shù)中，將提高塊煤率的只要手段集中在對各種采煤設(shè)備的優(yōu)化，設(shè)備的升級改造等方面，而煤層本身硬度對塊煤率影響的研究較少。煤層預(yù)裂改造作為提高礦井塊煤產(chǎn)出率的有效手段，近年來受到研究人員的重視。通過煤層預(yù)裂改造增加工作面煤層中裂隙數(shù)量，從而降低煤層硬度，減少煤層對采煤機(jī)截齒的損壞，在提高采煤機(jī)工作效率的同時增加塊煤出產(chǎn)率。目前，在煤礦中通過煤層預(yù)裂改造增加煤層裂隙的方式主要由氣體爆破法，炸藥爆破法和水力預(yù)裂法三種方法[4]。其中氣體爆破法，炸藥爆破法由于實(shí)施過程中瞬間能量大且不易控制，因此這兩種方法應(yīng)用受到了很大限制。水力預(yù)裂法由于自身具體安全、穩(wěn)定、潔凈等優(yōu)勢，被廣泛使用在煤礦企業(yè)中用來對煤巖進(jìn)行破碎[5]，于此同時水壓致裂對煤壁穩(wěn)定性造成一定影響，需要關(guān)注壓裂煤層煤壁片幫的形成和預(yù)防。本文通過對水壓致裂煤層煤壁片幫的形成機(jī)理和影響因素進(jìn)行了研究，從而為更好的控制壓裂煤層煤壁穩(wěn)定性提供指導(dǎo)。

1 水壓致裂煤層失穩(wěn)機(jī)理

工作面煤層經(jīng)過開采后，煤體原有的受力發(fā)生變化，受力平衡狀態(tài)遭到破壞，這時超前支承壓力的出現(xiàn)會加劇煤壁周圍應(yīng)力集中狀態(tài)，如果媒體所受應(yīng)力大小超出其強(qiáng)度極限后就會引起煤壁片幫。

水壓致裂后的綜采工作面，媒體的力學(xué)性能發(fā)生了變化，由于水壓力作用使得水壓裂隙與煤層原有裂隙之間相互連通，出現(xiàn)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)裂隙，從而降低煤層硬度。煤層硬度降低后煤體間橫向拉應(yīng)力會明顯降低，此時煤體主要受到自重和頂板壓力的作用，進(jìn)而發(fā)生剪切破壞。剪切破壞是水壓致裂工作面發(fā)生煤壁片幫的主要原因。

圖1 頂板力學(xué)模型

圖1 所示為在水壓致裂后頂板受力示意圖，考慮到由于煤體重力相對于頂板壓力較小，分析過程中忽略煤體自重影響，q為頂板所受的單向均布載荷，煤體水平受力面積為，S面為煤體的滑移面，α和φ分別為煤體剪切破壞角和內(nèi)摩擦角，根據(jù)摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則，煤體剪切破壞必要條件為：

式中：c為煤體內(nèi)聚力；σ為煤體所受壓應(yīng)力。

根據(jù)（1）式可知，煤體內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角大小對煤體所受壓應(yīng)力起主要作用。另外，在距離頂板0.35倍采高處煤壁片幫發(fā)生較為嚴(yán)重，因此在該區(qū)域應(yīng)該進(jìn)行重點(diǎn)支護(hù)，及時防治煤壁片幫的發(fā)生。

2 煤壁穩(wěn)定性分析

2.1 煤壁穩(wěn)定性影響因素

2.1.1 采高

現(xiàn)有的研究表明，采高對煤壁片幫有非常重要的影響，隨著采高的不斷增大，工作面上覆巖層的垮塌高度和范圍也隨著增大，采高與直接頂厚度、巖梁的實(shí)際沉降值之間的關(guān)系為：

式中：mz為直接頂厚度，m；h為工作面采高，m；KA為巖層的碎脹系數(shù)；SA為巖梁的沉降量，m；

可得：

從上式（3）分析可知，隨著工作面采高的增加，直接頂厚度增大，隨著工作面開采的深入，垮落后的頂板高度也增大，這就需要巖體來填充出現(xiàn)的采空區(qū)，從而進(jìn)一步加速了上覆巖層的下沉，煤體失穩(wěn)后產(chǎn)生煤壁片幫。已有的研究表明，以采高5m為分界點(diǎn)，采高一旦超過5m，隨著采高的繼續(xù)增加，片幫深度將急劇增大。

2.1.2 支架支護(hù)阻力

液壓支架作為綜采工作面重要設(shè)備，其主要用于支撐上覆巖層載荷。當(dāng)使用過程中，支架的支護(hù)阻力較小，不能支撐上覆載荷時，工作面前方煤壁受到的壓力降增大，從而增加的煤壁片幫發(fā)生的幾率。下圖所示為頂板的受力分析示意圖，其中PT為支架作用于頂板的支撐力，Pg為矸石對頂板上的力，G為頂板巖層自身重力，對其進(jìn)行受力分析后可得下式[6]。

圖2 頂板力學(xué)模型

式中：G為頂板巖層的重力；pg為矸石作用于頂板上的力；pT為支架對頂板的支撐力；Km為直接頂作用力；S為煤壁層裂寬度；Δh為頂板下沉量；

由（4）式可知，頂板下沉量受支架支護(hù)阻力影響較大，在G和pg一定的情況下，液壓支架的作用力pT越大，頂板下沉量Δh就越小，工作面產(chǎn)生煤壁片幫的幾率就越小，因此，適當(dāng)增加支架工作阻力可以有效的降低煤壁片幫深度。

2.1.3 煤體強(qiáng)度

通過上述對煤壁片幫形成機(jī)理的分析，很容易得出超前支撐力的形成是煤壁片幫產(chǎn)生的重要原因。而現(xiàn)有的研究已經(jīng)表明超前支撐力的大小主要由煤體強(qiáng)度來決定，因此通過分析煤體強(qiáng)度的影響因素就可以間接得出煤壁片幫的影響因素。煤層硬度、煤的變質(zhì)情況以及煤層內(nèi)部節(jié)理裂隙的發(fā)育情況都會對煤體強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響[7]。其中煤層硬度的大小直接影響煤體強(qiáng)度大小；煤層變質(zhì)程度主要是決定煤層中含碳量的大小，含碳量越大煤層就越硬；煤層內(nèi)部節(jié)理裂隙的發(fā)育會降低煤體強(qiáng)度，裂隙越嚴(yán)重，煤體強(qiáng)度越低。

2.2 片幫深度計(jì)算

工作面前方煤壁出現(xiàn)部分塑性破壞，還具有一定的承載能力，此時如果超前支承壓力繼續(xù)增大，就會發(fā)生剪切破壞，當(dāng)煤壁的完整性隨著超前支撐壓力的增大遭到破壞后，煤壁片幫的深度達(dá)到最大值，煤壁以自然安息狀態(tài)存在，煤體的內(nèi)摩擦角φ與安息角α相等，煤壁片幫的最大深度為：

式中：l為煤壁片幫最大深度，單位m；Hp為工作面片幫的深度，單位m；α為片幫安息角；φ為煤體的內(nèi)摩擦角。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

通過對水壓致裂原理的分析可知，水壓致裂后會產(chǎn)生新的水壓裂隙，并且會隨著外力作用會在煤層中不斷擴(kuò)展延伸，最終改變煤體力學(xué)性質(zhì)，使得煤體強(qiáng)度降低，內(nèi)摩擦角和黏聚力減小。為此，重點(diǎn)分析水壓致裂后，煤體強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、黏聚力以及支架支護(hù)強(qiáng)度對煤壁片幫的影響。FLAC3D軟件作為一種數(shù)值分析軟件，能夠模擬巖體在應(yīng)力作用下發(fā)生的力學(xué)變化，也可以模擬地下硐室的開挖、填筑等，對模擬塑性破壞和塑性流動方面具有較大優(yōu)勢，因此本文應(yīng)用該軟件對不同情形下煤壁的破壞規(guī)律進(jìn)行模擬分析，并且將模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖3 煤壁塑性區(qū)圖

圖4 煤壁片幫深度與煤體硬度之間關(guān)系

為了研究不同煤層硬度對煤壁穩(wěn)定性的影響，仿真過程中設(shè)置不同的彈性模量值，防真結(jié)果如圖3所示，從圖可以看出，在煤體彈性模量逐漸增大的過程中，煤壁塑性區(qū)域的面積也不斷變大，特別是彈性模量由2×108Pa增加到6×108Pa的過程中，煤塑性區(qū)域面積隨著彈性模量的增大而急劇變大，但是當(dāng)彈性模量增加到6×108Pa值以后，煤壁塑性區(qū)域變化較為緩慢。從圖4可以看出，當(dāng)彈性模量為固定值時，片幫深度與煤壁深度之間近似為二項(xiàng)式關(guān)系；不同的煤層硬度對煤壁片幫深度影響較大，隨著煤層彈性模量的增大，煤壁片幫深度逐漸減少，當(dāng)彈性模量值大于10×108Pa后，片幫深度受彈性模量的影響明顯減小，并且在0.4倍采高處最先發(fā)生片幫現(xiàn)象。

圖5 煤壁塑性區(qū)圖

圖6 煤壁片幫深度與煤體黏聚力之間關(guān)系

在其它仿真參數(shù)不變的情況下，針對不同的黏聚力值分析煤壁塑性區(qū)結(jié)果如圖5所示，從圖可以看出，煤體黏聚力增大時，煤壁塑性區(qū)域面積明顯減小。黏聚力在1×106Pa～2.5×106Pa范圍時，隨著黏聚力的增大，煤壁塑性區(qū)域急劇減小。在黏聚力增大到一定值后，煤壁塑性區(qū)域面積受黏聚力的影響明顯降低。圖6所示為煤壁片幫深度與煤體黏聚力之間關(guān)系，可以明顯看出煤體黏聚力越大，煤壁片幫深度就越小，但是當(dāng)煤層黏聚力大于4×106Pa后，片幫深度受黏聚力影響明顯降低，繼續(xù)增大后，煤層發(fā)生片幫的概率很小。

圖7 煤壁塑性區(qū)圖

圖8 煤壁片幫深度與煤體內(nèi)摩擦角之間關(guān)系

在仿真過程中，其他參數(shù)不變的情況下，通過改變內(nèi)摩擦角的大小來研究不同內(nèi)摩擦角對煤壁穩(wěn)定性的影響。如圖7所示，不同內(nèi)摩擦角對應(yīng)的煤壁塑性區(qū)圖，從圖可以看出，在內(nèi)摩擦角不斷增大的過程中，煤壁塑性區(qū)域面積不斷減小。圖8所示為不同內(nèi)摩擦角對應(yīng)的煤壁片幫變化情況，從圖可以看出，內(nèi)摩擦角在20°～38°的范圍變化時，煤壁片幫深度隨內(nèi)摩擦角增大而急劇減小，但是當(dāng)內(nèi)摩擦角繼續(xù)增大后，其對煤壁片幫的影響逐漸變小。

圖9 支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量之間關(guān)系

為了研究煤體壓裂前后煤壁穩(wěn)定性變化情況，對煤體壓裂前后工作面支架支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量之間關(guān)系進(jìn)行重點(diǎn)分析，如圖9所示。其中s為到煤壁的距離，從圖9（a）可以看出，在支架支護(hù)強(qiáng)度一定時，越靠近煤壁處頂板下沉量越小，當(dāng)s=1時，支架支護(hù)強(qiáng)度為4MPa時，頂板下沉量最小約為2cm左右；當(dāng)s=5，支架支護(hù)強(qiáng)度為0MPa時，頂板下沉量最大約為7.4cm左右；通過觀察各曲線的變化趨勢，明顯發(fā)現(xiàn)在支架支護(hù)強(qiáng)度為1MPa處出現(xiàn)一拐點(diǎn)，即在支架支護(hù)強(qiáng)度小于拐點(diǎn)時，頂板下沉量隨支護(hù)強(qiáng)度增大急劇減小，大于拐點(diǎn)時，變化趨勢明顯變緩慢。通過分析可以預(yù)測壓裂前工作面的合理支護(hù)阻力在1MPa左右。從圖9（b）可以看出，煤體壓裂后，當(dāng)s=1時，支架支護(hù)強(qiáng)度為4MPa時，頂板下沉量最小約為3.7cm左右；當(dāng)s=5，支架支護(hù)強(qiáng)度為0MPa時，頂板下沉量最大約為9.1cm左右；并且與壓裂前相比較，拐點(diǎn)的出現(xiàn)明顯后移，在支護(hù)強(qiáng)度大于1.5MPa后，頂板下沉量變化較為緩慢，說明煤體壓裂后該工作面合理的支護(hù)阻力增大，另外，煤體壓裂后超前支承壓力峰值位置沒有明顯改變，但峰值的大小會明顯減小。

4 結(jié) 論

本文通過對水壓致裂煤層煤壁片幫產(chǎn)生機(jī)理及主要影響因素進(jìn)行分析，并通過數(shù)值計(jì)算軟件FLAC3D對其進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，隨著煤體彈性模量的增大，煤壁塑性區(qū)域面積不斷增大，當(dāng)彈性模量增加到一定值后，煤壁塑性區(qū)域幾乎不變；煤體間黏聚力和內(nèi)摩擦角越大，煤壁的塑性區(qū)域面積越小，同時當(dāng)黏聚力和內(nèi)摩擦角增大到一定值后，塑性區(qū)域面積減小速率明顯變緩；煤體壓裂前后支架支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量關(guān)系對比發(fā)現(xiàn)，煤體發(fā)生壓裂后，頂板位移量和支架支護(hù)阻力明顯增大。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與理論分析結(jié)果相符，充分說明了模型建立的可行性，為水壓致裂煤層煤壁片幫的預(yù)防和治理提供指導(dǎo)。