基于数值模拟的大采高工作面煤壁片帮机理研究

杨文忠

（汾西矿业集团柳湾煤矿， 山西 孝义 032300）

煤壁片帮是由于煤体开挖后，工作面前方煤体卸压、应力状态改变，在支承压力的作用下，内部节理、层理等裂隙相互贯通，煤体整体结构改变，并不断向回采空间位移而形成的一种矿山压力现象。由于煤体强度、裂隙分布及人为工程扰动的不同，煤壁片帮在各矿区工作面呈现出多种不同的形式，如煤壁拉破坏或剪破坏等，而对于大采高工作面，由于机采高度增大必然造成工作面煤壁临空面积增大，在矿山压力作用下煤壁片帮几率加大，进而可能引发采场端面大面积冒顶，严重威胁矿井安全生产，故大采高综放工作面煤壁片帮控制是亟待解决的关键技术难题之一[1-3]。本文针对8105大采高综放工作面的具体地质生产条件，运用力学计算、数值模拟、现场实测等研究手段，对煤壁片帮机理及控制对策展开研究，从而提高工作面的支护可靠性。

1 煤壁片帮机理分析

研究过程中调研了矿井8105工作面地质生产条件，并进行了煤岩样的采集测试及岩性评价，得出该工作面砂岩顶板强度较高，完整性较好，工作面来压显现较强烈，对综放支架冲击作用较明显，不利于端面煤岩体的控制。针对该工作面调研过程中较为常见的顶部三角剪切片帮，在整个工作面回采期间均极为常见，尤其是在工作面来压期间，一方面其可引发煤体整体片帮，另一方面可诱发端面冒顶，对采场围岩控制影响较大，其片帮机理研究具有重要意义[4，5]。

对于工作面煤壁，原始状态下煤体内部存在未贯通的原生裂隙（图1-1），回采卸压后，裂隙增多并继续发育，受顶底板的压剪作用，在煤壁顶部产生一组与最小主应力（水平方向）成45°+1/2夹角的倾斜剪切裂隙（图1-2），当煤壁自由面暴露一定长的时间，随着其受力环境的恶化，煤壁顶部三角煤将沿着最弱的一条倾斜裂隙滑落，形成煤壁顶部片帮（图1-3）。

图1 煤壁剪切破坏过程

对片落的三角煤块进行受力分析可知，剪切破坏受采高h的影响较大，随h增大，煤壁顶部剪切破坏的风险增大；煤体内聚力C是保持自身稳定性的最可靠的参数，在构造区等煤岩破碎带，对煤体注浆提高其内聚力可有效提高其抗剪切破坏的能力；护帮板的支护力T是人为控制煤壁顶部片帮最直接和有效的措施，其沿剪切面的分力是抗剪力的一部分，沿垂直剪切面方向的分力又是提高摩擦力f的压力，可有效提高安全余量，必须充分发挥其支护效能；支架支撑力沿竖直方向的分力首先能提高对顶板的支护强度，分担老顶载荷对煤壁的压力，有利于端面破碎煤体的控制，因此必须保证支架立柱倾角和初撑力达标。

2 机采高度对片帮影响模拟分析

本次数值模拟根据8105大采高综放工作面的具体地质参数及围岩条件参数建立UDEC数值模型，本矿井煤层为近水平煤层，采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤开采，在对现场实际地质生产状况进行简化和抽象的基础上，设计数值模拟模型为水平模型，尽量规避无关因素的影响，模拟计算中，煤岩体和节理的物理、几何参数是在现场的原岩参数的基础上确定的。共设计机采高度分别为3.0～5.5 m的6个数值模拟方案。

在模拟过程中在煤壁中布置测线对其水平位移进行监测和统计，分别统计其最大位移值和平均位移值，作图如图2所示。分析数据及曲线可知:随着机采高度增加，煤壁的水平位移值均呈增长趋势，且增长速率在3.5 m以内时较慢，在4.0～4.5 m范围内增长较快，而超过4.5 m以后，增长速度又逐渐放缓。说明机采高度4.0 m为一个分水岭，超过此值后煤壁水平位移发展较快，更容易发生煤壁片帮。

图2 煤壁水平位移发展变化曲线

3 煤壁片帮控制对策及结论

1）确保液压支架的支护强度。对于普通工作面来说支架的支护强度非常关键，而对于大采高工作面，其重要性更是不言而喻。必须保证支架初撑力不低于标准值，同时加强支架接顶管理，防止支架接顶不实，现场避免频繁操作支架，同时使用带压擦顶移架，防止支架操作对顶板的频繁扰动，恶化支架支护效果。

2）确保液压支架的支护状态。保障支架的合理端面距至关重要，一般不得超过0.3 m，使用好前探梁及护帮板，对割煤后暴露的顶板及煤帮及时支护，同时对于顶梁台阶、支架错距、挤架咬架、顶梁俯仰角等参数进行合理控制，确保合理的支护状态，当出现端面冒顶片帮时应及时进行接顶、护帮处理，防止因处理不及时导致事故恶化。

3）高度重视护帮板的支护力T及其护帮范围lT是人为控制煤壁顶部片帮最直接和有效的措施，其沿剪切面的分力是抗剪力的一部分，沿垂直剪切面方向的分力又是提高摩擦力f的压力，必须充分发挥其支护效能；支架支撑力沿水平方向的分力能对支架顶梁上方煤体及端面煤体施加一个水平向前的挤压力，有利于端面破碎煤体的控制，如果水平分力作用方向反向采空区方向，就会对煤壁顶部片帮起反作用，因此必须保证支架立柱倾角和初撑力达标。

4）确保支架故障的及时排除。液压支架故障不可避免，尤其是对于服务年限较久的老旧支架，更应该加强日常的故障排查及检修，若支架出现千斤顶漏液、密封件失效、液压元件内外泄露以及出现其他构件损坏，将对支架的工作状态造成不利影响，应及时加以排除。