大采高工作面煤壁片幫模擬實驗平臺研制與教學實踐

王兆會，唐岳松

（中國礦業大學（北京） 能源與礦業學院，北京 100083）

采礦工程專業知識具有較強的實踐性，煤層賦存條件不同造成工作面開采環境差異巨大。單純依靠理論教學很難為學生直觀呈現工作面復雜的開采環境，因此，實踐教學在采礦工程專業教學環節具有重要作用[1-4]。

煤壁片幫是煤炭地下開采活動中經常遇到的一類圍巖失穩現象。特別是在大采高工作面，一次割煤高度增加，揭露煤壁高度增大，煤壁自穩能力降低，煤壁片幫現象發生頻率逐年走高，成為制約大采高開采工作面生產潛能釋放的主要因素[5-7]。為了提高大采高工作面煤壁穩定性控制效果，眾多學者采用理論分析、數值計算、工程實測和模擬實驗等手段對煤壁破壞機理進行了研究，得到了煤壁片幫條件，并提出了許多控制措施[8-10]。由于煤炭地下開采條件的復雜性，理論分析和數值計算結果通常作為輔助手段，難以直接指導工程實踐，而工程實測需要耗費大量人力、物力，很少作為科學研究的常規手段。模擬實驗則可真實再現采動影響下工作面煤壁漸進破壞過程，為煤壁穩定性研究提供了行之有效的手段[11]。

“礦山壓力與巖層控制”作為采礦工程專業的一門主修專業課程，培養學生掌握大采高工作面煤壁片幫原因和控制方法是一項重點教學內容[12]。本文研發了一種煤壁片幫模擬實驗平臺，豐富了煤壁穩定性研究方法，同時應用于礦山壓力與巖層控制課程教學環節，為學生直觀演示煤壁漸進破壞過程，極大提高了實踐教學效果。

1 煤壁片幫模擬實驗平臺研制

1.1 設計依據

圖1 大采高工作面空間結構

大采高工作面空間結構如圖1所示，煤壁穩定性主要受到煤壁高度、煤壁強度、支架參數、頂板壓力等因素的影響，因此煤壁片幫模擬實驗平臺應包括煤壁、支架和頂板物理模型[7]。煤層開采導致巖層運動，部分巖層重力作用于工作面支架和煤壁之上，稱為頂板壓力，是導致煤壁片幫的直接因素。模擬實驗平臺采用加載系統精準控制頂板壓力大小，從而模擬不同頂板巖層賦存條件。為實現實驗結果定量分析，模擬平臺配置了多個壓力和位移傳感器，實時采集實驗數據。

根據幾何相似、運動相似和動力相似三條相似準則，合理設計相似比，模擬實驗系統能夠真實再現課堂需要講授的煤壁破壞現象，加強學生對傳授知識的理解和掌握程度。對于不同開采條件，模擬實驗采用的相似比不同，模型尺寸、材料強度、頂板壓力的選擇具有明顯差異。本文研發的模擬實驗平臺可開展不同埋深、不同煤壁高度和不同支架剛度條件下的煤壁穩定性研究。

1.2 平臺構成

煤壁片幫模擬實驗平臺包括物理模型、加載系統和數據采集系統三個模塊，如圖2所示。物理模型模塊用于鋪設模擬煤壁的相似材料模型，以實際采礦地質條件為基礎，依據相似定律確定相似比，將石英砂、石膏和石灰按設計比例混合均勻，鋪設于實驗平臺框架之上，模型最大尺寸可達到 0.8 m×0.8 m×1.5 m。支架模型根據實際工作面支架型號選取，最大支撐高度為 1.5 m，與模型高度一致，支架剛度具有三種類型可供選擇，分別為1.0、1.5和2.0 MN/m。加載系統包括模擬直接頂的混凝土厚板和直接頂之上的巖層重力。巖層重力采用大容量千斤頂模擬，根據實際頂板壓力對模型進行應力補償，最大限度還原真實煤壁所處的應力環境。加載系統最大施加載荷可達到100 kN，可模擬埋深達1 000 m的頂板壓力值。數據采集系統包括用于監測頂板和煤壁變形量的線性可變差動變壓器（LVDT）裝置、WXY15M-200-R1位移傳感器和nRF24L01型高速無線收發裝置[13]。煤壁變形數據分為水平位移和垂直位移，垂直位移監測采用外置式LVDT裝置，固定于煤壁外側，連接數據采集儀實時采集，采集精度達到0.01 mm；WXY15M-200-R1位移傳感器為拉繩式水平位移測量裝置，預先埋設于模型內部，在工作面中部沿推進方向布置，分別埋設于煤壁上部、中部和底部，用于分析煤壁不同位置的水平變形特征，水平位移數據接收和傳輸均采用nRF24L01型高速無線收發模塊完成。

圖2 煤壁片幫模擬實驗平臺

2 煤壁片幫模擬實驗教學方案

2.1 實驗方案制定

本次教學實驗以神東上灣煤礦7.0 m大采高工作面煤壁片幫事故為工程背景，設計煤壁片幫模擬實驗方案。上灣煤礦大采高開采工程實踐表明煤壁高度和支架剛度是影響煤壁穩定性的關鍵因素，因此分別以煤壁高度和支架剛度為變量設計了兩組實驗，用于觀察和講授上述兩種因素對煤壁穩定性的影響，實驗方案如表1所示。

表1 煤壁片幫實驗方案設計

2.2 模型鋪設與載荷施加

根據上灣煤礦大采高工作面的開采參數，選取幾何相似比為 1∶10，容重相似比為 1∶1.6，進行物理模型鋪設。選取石英砂、石膏和石灰為相似材料（見圖3），按8∶5∶5的質量比例混合，加入占前述材料總質量 8%的水攪拌均勻，進行模型鋪設，每次鋪設高度為5 cm。模型鋪設完畢后，等待3 d將模型晾干，避免水分過多影響模擬實驗結果。模型鋪設和晾干過程中，室驗室內部溫度和濕度保持不變，避免外部環境對模擬實驗結果的影響。模型晾干后，在煤壁表層刷白色無強度的顏料，畫上0.1 m×0.1 m規格的參考網格線，便于觀測煤壁變形特征和裂隙發育特征。

根據上灣煤礦開采實踐，頂板壓力大小利用加載系統進行補償，采用計算機控制千斤頂逐級加載，模擬采動范圍增加導致頂板壓力逐漸增大的過程。加載速度為5.0 kN/min，用于模擬頂板壓力向煤壁和液壓支架轉移的過程，給物理模型足夠的變形時間。上述加載過程中對煤壁壓力和煤壁變形數據進行實時采集。為簡化實驗操作，支架立柱可采用彈簧代替，彈簧的剛度即為支架剛度。為保證實驗的科學性，煤壁、支架、頂板參數及實驗過程中的操作流程、加載速度等因素均保持一致。

圖3 相似材料

3 煤壁片幫模擬實驗結果

3.1 煤壁變形特征

實驗過程中監測所得煤壁垂直和水平變形演化特征如圖4所示。初始加載階段，作用于煤壁之上的頂板壓力較小，煤壁垂直和水平位移增長速度均很小，處于低速變形階段；加載時間50 s后，煤壁垂直變形量進入快速增長階段，垂直變形高速增長過程持續至250 s；之后垂直變形速度開始降低，煤壁內出現裂隙發育現象，承載能力開始降低，最大垂直變形量達到45 mm。

圖4 煤壁變形演化特征

煤壁水平變形低速增長階段持續至150 s，表明煤壁水平變形的壓力敏感性低于垂直變形。隨著加載進程的繼續，煤壁水平變形開始快速增長，250 s時煤壁承載能力降低，水平變形增長速度出現降低趨勢。隨著煤壁損傷程度升高，大尺度裂隙開始在煤壁中形成，橫向變形在約280 s時出現激增現象，表明破壞裂隙開始貫通，煤壁發生片幫現象。埋設于物理模型中的三個傳感器僅上部和中部傳感器監測到變形，下部傳感器讀數始終為0，表明煤壁下部沒有發生變形現象，由圖4(b)可知煤壁上部水平變形（35 mm）明顯大于煤壁中部的水平變形（28 mm）。

煤壁高度和支架剛度對煤壁變形特征的影響如圖5所示。煤壁高度增加，水平變形量增大，表明煤壁高度增加加劇了采動裂隙發育程度，導致煤壁片幫程度升高，這也是神東礦區大采高工作面煤壁片幫現象頻發的原因。支架剛度增大，煤壁水平變形呈現降低的趨勢，表明選用高剛度液壓支架有助于提高煤壁的穩定性。實驗結果有效驗證了在以往教學內容始終強調的“提高工作面液壓支架額定工作阻力，有利于控制頂板穩定性”這一結論；同時表明提高液壓支架剛度對煤壁片幫現象具有很好的抑制作用。

圖5 煤壁變形特征影響因素

3.2 煤壁片幫形態

煤壁高度對片幫形態的影響如圖6所示。煤壁高度3 m的條件下，工作面表現為上部片幫，片幫高度約0.8 m，片幫深度約0.3 m；煤壁高度增加至5 m時，煤壁破壞范圍增加，表現為中部和上部同時片幫，片幫高度達到2.8 m，片幫深度為0.5 m；煤壁高度增加至7 m時，片幫范圍擴展至底板附近，片幫深度達到1.0 m；煤壁高度增加至9 m時，揭露范圍內的煤壁全部發生破壞，表現為整體片幫形式，片幫深度增加至1.3 m。由不同采高條件下煤壁的破壞形態可知：隨著煤壁高度增加，煤壁破壞范圍擴大，片幫程度升高，對開采安全的威脅程度增大。

圖6 煤壁高度對片幫形態的影響

不同支架剛度條件下，煤壁破壞形態如圖7所示。支架剛度為1.0 MN/m時，煤壁呈現整體片幫形式，最大破壞深度達到 1.0 m，位于煤壁中部，煤壁破壞面積達到模型尺寸的64%；支架剛度為1.5 MN/m時，煤壁呈現中部和上部同時片幫，最大破壞深度達到0.8 m，位于煤壁上部，煤壁破壞面積達到模型尺寸的50%；支架剛度為2.0 MN/m時，煤壁呈現上部片幫形式，破壞高度和深度均明顯減小，分別為3.6和0.7 m，煤壁破壞面積達到模型尺寸的33%。

圖7 支架剛度對煤壁破壞形態的影響

4 實踐教學效果分析

4.1 直觀呈現煤壁片幫現象，提高教學效果

模擬實驗能夠直觀展示煤壁破壞裂隙由萌生到擴展直至貫通的整個發育過程，真實地再現了煤壁片幫現象。實驗表明，煤壁片落塊體對支架和實驗臺均會產生沖擊效果，特別是片落塊體體積大，片幫位置集中于上部時，煤壁片幫會對支架、頂板的穩定會造成嚴重的威脅。上述實驗現象能夠直接展現，對學生的視覺沖擊性強，提高了學生對煤壁片幫現象的理解程度，讓學生感受到了煤壁片幫的危害；實驗在專業實驗員指導下完成，讓學生親身參與實驗，實驗全程無危險隱患，實驗平臺安全性良好，學生能根據自己設計的實驗參數進行相應實驗操作，從模擬煤壁模型的搭建，到頂板、支架和加載系統的布置，再到對煤壁加載直至片幫的整個過程均可以由學生親手操作完成，有效地提高學生動手操作能力；實驗中學生能充分了解大采高工作面頂板—煤壁—支架的空間關系和相互作用效果，在安全區域全方位觀察煤壁片幫發生過程及煤壁片落形態，將課本中的圖片轉為空間模擬實驗，能有效加深學生對相關知識的理解。

4.2 “學—研”結合，激發學生自主學習興趣

將科研成果融入課堂，通過講授研究成果對工程實踐的指導意義，激發了學生對采礦工程的專業認同感，讓學生明確采礦工程是一門科學，采礦過程遇到的每個難題都是一項科學問題，需要結合力學、高等數學、地質學、系統工程等多個學科進行解釋和分析，科學的開采才是保障生產效率和安全的必由之路。強烈的實驗沖擊效果能讓學生深刻認知煤壁片幫現象對煤炭安全開采的威脅，促進學生探索解決問題的方法，提高發現并解決問題的能力，在指導教師的引導下讓學生在現有的實驗基礎上創新思考，大膽設想，提出相應的煤壁片幫治理方案如對煤壁進行注漿加固、優化支架結構、調整支架參數等，同時利用實驗平臺對自己的創新性想法進行實驗驗證。

5 結語

本文研發了一種大采高工作面煤壁片幫模擬實驗平臺，包括物理模型、加載系統和數據采集系統三個模塊，可改變煤壁高度、強度、支架剛度等參數實現多種開采條件的模擬實驗。實驗教學方法為學生直觀演示了大采高工作面煤壁變形破壞的全程演化特征，形象展示了各類片幫模式，加深了學生對知識點的掌握程度。將研發的實驗平臺應用于實踐教學環節，實現了“學—研”結合，激發了學生自主學習興趣，提高了學生發現和解決問題的能力，培養了學生的科研興趣和動手操作能力。