“两软一硬”综放面煤壁片帮机理数值模拟研究

杨岁寒，乔 旺

（河南大有能源股份有限公司，河南 义马 472300）

目前，我国厚煤层、特厚煤层通过对综采放顶煤技术的充分应用，实现了矿井安全、高产、高效生产。尤其在一些回采难度较大的煤层，综采放顶煤技术得到了较快发展，如“三软”、“两硬”、“高瓦斯突出”、“大倾角”等特殊煤层。很多问题随着综采放顶煤回采工作面高产、高效的生产而产生，如工作面煤墙片帮、回采工作面两巷压力显现严重等，是制约矿井安全生产的重大隐患。当所回采煤层的顶板属坚硬岩层，而煤体较软和煤层底板属软岩的这类地质构造，就称为“两软一硬”煤层。是继三软煤层（煤层顶板软、煤体软、煤层底板软）特殊地质条件开采之后，又一个需要解决的问题〔1-4〕。煤壁片帮、端面距冒顶相互诱发，不利于断面顶板稳定是“两软一硬”煤层的主要特征。实现综采放顶煤工作面安全、高产、高效生产并取得良好经济效益的前提是如何有效控制煤壁片帮，因此开展“两软一硬”不稳定煤层综采放顶煤工作面煤壁片帮机理及控制技术的研究具有重要的意义。

1 工作面概况

河南大有义安公司12040综放工作面位于12采区中部，东临二112030工作面，西临二112050工作面，北至工作面切眼，南至一水平西翼胶带大巷保护煤柱。地表丘陵、沟谷发育，无高大建筑物。该工作面底板标高-314 m～-262m；地表标高+332.4m～+363.2m，走向长度649 m；倾斜可采长度159m；煤层赋存不稳定，煤层厚度为1.2～9.4m，平均5.3m，煤层倾角5°～10°，煤层较软，煤层普氏硬度系数f=0.4～0.6，煤层结构简单，仅局部存在夹矸，夹矸多为厚0～0.8m 的泥岩或细砂岩；老顶约为厚21 m 的中-细粒石英砂岩，直接顶为厚2.3m 的细砂岩，直接底为厚1.61m 的砂质泥岩，老底为黑灰色细砂岩，局部裂隙发育，约为8m。地质构造较简单，在掘进过程中实际揭露断层8条，落差较小，均在0.3～1.9m 之间；采用走向长壁后退式一次采全高全部垮落法管理顶板放顶煤采煤方法。

2 煤壁片帮形式及影响因素分析

2.1 煤壁片帮破坏形式分析

在回采工作面生产过程中，工作面的煤墙侧承受压力能力较低，是回采工作面支撑体系中的薄弱点，有时甚至无承载能力，因受其生产工艺限制及所处位置影响，煤壁无法处于三向受力状态，因而会出现压力失衡，产生煤壁片帮现象。煤壁的破坏形式有拉裂平破坏和剪切破坏两种，是其在煤体自重、煤层顶板压力以及回采活动扰动作用下的结果〔5-6〕（见图1、图2）。

图1 煤壁片帮形式示意

图2 煤壁剪切破坏分析

当煤层煤质脆而硬时，煤壁的主要破坏形式是拉裂破坏，煤壁容许变形量小是煤质脆且较硬这类煤层的共同特性，在煤层上覆岩层顶板压力与岩层自身重力的作用下，在煤体的横向方向产生拉应力，致使煤体产生拉裂破坏〔7-8〕。

2.2 煤壁片帮影响因素分析

（1）煤体性质。煤壁因承受支承压力与横向拉应力二向力，并且存在自由面，工作面煤壁附近煤体的裂隙进一步扩大，煤体被挤出，最终形成煤壁片帮。义安公司12040综放工作面所开采煤层为二1 煤，该煤层较为松软，煤体低强度、低承载能力、破碎、不稳定等是煤墙片帮的主要因素。

（2）采高的影响。在回采工作面回采过程中，超前支承压力在煤壁前方形成，一定深度内的煤体受超前支承压力的作用，呈格里菲斯强度破坏特征破坏。回采工作面采高越大，顶板的冒落越多，施加在煤壁上的压力就越大。煤壁煤体外鼓量随煤体强度的降低或超前支承压力的增大而增多，当煤壁所承受的压力增加时，煤壁片帮的可能性就大大增加。

12040综放工作面煤层赋存不稳定，煤层厚度变化大，当开采煤层较厚时，相对于薄煤层来说，煤壁片帮程度更大。

3 数值模拟分析

3.1 模型的建立

在工作面不同采放比和回采距离的条件下，研究不同采放比、回采距离分别对工作面煤壁片帮影响，从而建立了300m×75m×180m 模型。

根据综放工作面实际地质资料与工作面地质柱状图描述，该工作面煤层倾角约为10°，属于近水平煤层。

3.2 不同煤层厚度下煤壁片帮模拟

采高度为2.5m 时，煤厚分别为5.0m、6.5m、8.0m、9.5m。

（1）煤壁及前方煤体应力分布特征。煤层厚度不同时，工作面煤体应力分布特征见图3～图6。

图3 煤厚5.0m 垂直应力分布

图4 煤厚6.5m 垂直应力分布

图5 煤厚8.0m 垂直应力分布

图6 煤厚9.5m 垂直应力分布

由图7可知，工作面超前应力峰值点随着煤层厚度的增加向前移动；四种厚度煤层的应力集中系数分别为2.1、2.05、1.8、1.8，随煤层厚度的增加而减小。这种情况是因为当煤层被开挖后，顶板覆岩的载荷部分作用在煤体上，当煤壁较软时，在覆岩压力的作用下，煤壁的煤体很快被压酥，煤体的刚度大大降低，当覆岩压力进一步增大，超过了煤体自身的强度时，作用在煤体上的压力就会向煤体深处转移。通过模拟可知，应力峰值距煤壁的距离与煤层厚度成正比，煤层厚度越大，煤壁发生片帮的可能性就越大，模拟结果与实际应力峰值基本吻合。

图7 垂直应力分布曲线

（2）水平移动分布特征。当不同煤层厚度条件下，工作面煤体水平移动分布特征见图8～图11。

图8 煤厚5.0m 时水平移动分布

图9 煤厚6.5m 时水平移动分布

图10 煤厚8.0m 时水平移动分布

图11 煤厚9.5m 时水平移动分布

为深入研究煤壁片帮，煤壁煤体片帮的深度可以用煤体水平拉裂率的大小来分析，煤体水平拉裂率是水平单位长度内两点水平位移的差值，公式为v=Δl／l，该公式可以用来表示两点之间位移的大小（见图12、图13）。

图12 煤壁最大水平位移量与煤层厚度的关系

图13 煤体的水平拉裂率与煤层厚度的关系

由图12、图13可得，工作面煤壁最大水平位移量随煤层厚度的增加而增大；煤层最大水平拉裂率为0.19、0.20、0.23、0.26，而且煤体离层最大位置分别位于煤壁前部0.76m、1.1m、1.5m、1.63m；由此可知，煤壁煤体的最大水平位移量大小、煤体最大水平拉裂率与煤层厚度有关，煤层厚度与煤体最大水平位移量、煤体最大拉裂率成正比，并且最大水平拉裂率的位置随煤壁的厚度增厚离煤壁越远。

3.3 不同推进距离下煤壁片帮模拟

机采高度为2.5m 的回采工作面，回采距离分别取20 m、30m、40m、50m。

（1）煤壁附近煤体应力分布特征

图14 不同回采距离垂直应力分布曲线

由图14可得，当工作面分别回采20m、30m、40m、50 m 时，工作面前方最大垂直应力峰值分别在工作面前5.5 m、6.1m、7.6 m、9.7 m 处，应力值分别约为13.2 MPa、14.8 MPa、17.7 MPa、21.8 MPa。工作面前方煤体的垂直应力峰值随着工作面推进距离的增大而变大，垂直应力峰值距工作面煤体的距离就越远，工作面煤墙片帮的可能性就越大。

由压力拱的原理可知，煤层上覆岩层的破坏程度及高度随着工作面推进距离的增大而增大，工作面煤体承受的相应压力就越大，一般情况下，从工作面初次放顶到老顶第一次周期来压时期内，压力拱逐渐增大，煤体所承受的压力就越大。在后期垮落带高度相对稳定、老顶按周期断发生裂下沉后，工作面前方垂直应力的峰值与上覆岩层老顶的断裂长度有关。

（2）煤壁水平移动分布特征

由图15、图16可得，当推进距离是20m、30m、40m、50m 时对应的最大水平位移是275.3mm、322mm、367.5 mm、426.5 mm，煤体最大水平拉裂率是0.097、0.109、0.156、0.178，而且煤体最大离层位置在煤壁前方0.22m、0.41m、0.65m、0.76m。由此得出，随着工作面推进长度的加大，工作面煤墙的最大拉裂率与水平移动量变大，拉裂位置也随着推进距离的增大而离煤墙越来越远。

图15 煤壁最大水平位移量与推进距离的关系

图16 工作面前方煤体的水平拉裂率与推进距离的关系

4 煤壁片帮控制措施

通过实验模拟分析和结合实际综放工作面情况，提出如下解决或缓解煤体片帮问题的手段。

1）提高放顶煤厚度。根据煤体片帮数值模拟结果和影响因素分析，片帮程度和几率与放顶煤厚度成反比，通过减少采煤机采高，提高放顶煤厚度，工作面片帮程度可以得到有效缓解，因此尽可能提高放顶煤厚度，从而降低采煤机采高，使采煤机采高控制在2.5m 以下。

2）加快工作面推采速度。通过加快工作面的推采速度，减少工作面煤壁裸露时间，降低煤体风化、变形及受支承压力对其的破坏程度，从而提高煤体的稳定性。

3）加强支架护帮、护顶装置使用管理。通过加强支架护帮、护顶装置使用管理，移动支架后及时使支架接顶，并伸展护帮板，及时护顶、护帮，减少煤壁煤体的裸露时间和顶煤的裸露时间与范围；并保证支架一次移动到位，避免反复移动造成顶板破碎。

4）减少截割深度。回采工作面一旦发生片帮，应适当调整采煤机截割深度，通过减少截割深度提高采煤机牵引速度，减少对煤体的破坏，从而减轻煤壁片帮。

〔1〕杨岁寒，郭文兵，黄成飞.两软一硬不稳定煤层综放工作面矿压规律研究〔J〕.煤炭技术，2010，29（11）：52-54.

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〔3〕赵少亭.云煤一矿两软一硬大厚差煤层顶板活动规律研究〔J〕.煤炭技术，2009，28（1）：86-88.

〔4〕刘高峰，张子戌，宋志敏，等.两软一硬煤层突出控制因素与发生规律〔J〕.河南理工大学学报（自然科学版），2013，32（5）：531-535.

〔5〕袁前进.综放面煤壁片帮的理论分析与防治〔J〕.煤炭科技，2009（2）：44-47.

〔6〕潘 山，李 健，张林良.大采高工作面煤壁片帮机理数值模拟〔J〕.现代矿业，2012（9）：13-15.

〔7〕蒋金泉，王国际，张登明，等.矿山压力与岩层控制〔M〕.徐州：中国矿业大学出版社，2007.

〔8〕弓培林.大采高采场围岩控制理论及应用研究〔M〕.北京：煤炭工业出版社，2006.