大采高综采工作面煤壁片帮机理分析.pdf

第3 9 卷第5期 2 0 1 1 年 5月 煤 炭科 学 技 术 Co a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Vo L 3 9 No ． 5 Ma v 2 O1 1 大 采高综采工作 面煤壁片帮机理分析 陈亮 ，孟祥瑞 ，高召-7 ，王向前 ，靳俊恒 1 ．安徽理工大学 能源与安全学 院，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 ； 2 ．安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室 ，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘要 为 了研 究综采工作面的矿压显现规律，在现场实测基础上，运用数值模拟的方法，对不 同 采高、不 同工作面长度条件下工作面煤壁前方塑性破坏 区的分布规律进行 了模拟研 究。结果表 明 随着采高和工作面长度 的增加 ，工作面煤壁前方 出现塑性破坏的范围越来越大；当工作面长度 为 2 2 0 m时，随着采高的增加，工作面煤壁前方 出现塑性破坏的范围呈现扩大的趋势；当采高为 4 ． 5 m 时，随着工作面长度的增加 ，工作面煤壁前方出现塑性破坏的范围也呈现扩大的趋势。 关键词 数值模拟 ；采高；工作面长度；塑性破坏 中图分类号T D 3 2 3 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 1 1 0 5 0 0 1 8 0 3 Ana l y s i s o n Sp a l l i ng M e c ha m i s m o f Co a l W a l l La w f o r Ful l y M e c h a n i z e d Hi g h Cut t i ng Co a l M i ning Fa c e CHE N L i a n g ，ME NG Xi a n g r u i ’ ，GAO Z h a o n i n g ’ ，WANG Xi a n g q i a n ’ ，J I N J u n h e n g 1 ．S c h o o l o fE n e r g y a n d S a f e t y ， A n h u i U n i v e r s i ty ofS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a；2 ．P r o v i n c ml a n d MO E K e y L a b ofS a f e t y a nd H i g h E f fi c ie n t Mi n i n g， A n h u i U n iv e r s it y ofS c i e n c e a nd T e c h n o l o g y ， H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s t u d y t h e mi n e p r e s s u r e b e h a v i o r l a w o f t h e f u l l y me c h a n i z e d c o a l mi n i n g f a c e ，b a s e d o n t h e s i t e me a s u r e me n t s ，t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n me t h o d W as a p p l i e d t o t h e s i mu l a t i o n s t u d y o n t h e d i s t r i b u t i o n l a w o f t h e p l as t i c f a i l u r e z o n e a t the f r o n t o f the c o a l mi n i n g w a l l u n d e r t h e d i f f e r e n t mi n i n g h e i g h t s a n d d i f f e r e n t c o a l mi n i n g f a c e l e n g t h s ．T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t w i t h t h e mi n i n g h e i g h t a n d t h e c o a l mi n i n g f a c e l e n g t h i n c r e a s e d，t h e p l a s t i c f a i l u r e s c o p e a t t h e f r o n t o f t h e c o al mi n i n g wall w o u l d b e g e t t i n g l a r g e r a n d l arg e r ． W h e n t h e l e n g t h o f t h e c o al mi n i n g f a c e w a s 2 2 0 m，wi t h t h e mi n i n g h e i g h t i n c r e a s e d，t h e p l a s t i c f a i l u r e s c o p e a t t h e f r o n t o f t h e c o al mi n - i n g w a l l w o u l d b e i n a p o t e n t i a l o f e x p a n s i o n ．W h e n t h e mi n i n g h e i g h t w a s 4 ． 5 m ，w i t h t h e l e n g t h o f t h e c o al mi n i n g f a c e i n c r e ase d，t h e p l a s t i c f a i l u r e s c o p e a t t h e f r o n t o f t h e c o a l mi n i n g w a l l a l s o w o u l d b e i n p o t e n t i a l o f e x p a n s i o n ． Ke y wo r d s n u me ri c a l s i mu l a t i o n；mi n i n g h e i g h t ；mi n i n g f a c e l e n g t h ；p l a s t i c f a i l u r e 1 概 述 煤炭作为我国的主要能源 ，其 中厚煤层储量在 我国煤炭储量 中约 占 4 4 ％ ，其产量约 占原煤产量 的4 5 ％ ，因此厚煤层的开采技术几乎决定着整个 煤炭行业的技术发展及经济效益 。近年来 ，山西等 地综放开采技术得到了快速发展，但综放开采尚有 很多技术难题 尚未得 到根本性 的解决 ，如采 出率 低、煤尘大 、自燃危险性大等。客观上说煤层厚度 在 3 ． 5～ 6 ． 5 i n时，综放工作面中顶煤 的资源采 出 率 、煤炭质量 指标必然低 于大采 高综采。相 比而 言，大采高综采只要支架选型合理 ，积极采取有效 措施防止煤壁片帮和机道 冒顶 ，其生产效率和采出 率将远高于放顶煤开采 ，同时也保证 了煤质。尤其 】 8 在高瓦斯综采工作面 ，通过加大采高来增加工作面 的通风断面，以满足风排瓦斯的要求 ，防止瓦斯超 限。但是采高的增大对工作面煤壁的稳定性具有明 显影响，特别是在软煤地质条件下，当采高增加到 一 定程度后 ，煤壁片帮和其所引起的机道冒顶将急 剧增加 ，严重影响大采高综采工作面的生产效率 ， 因此控制煤壁稳定性将成为制约大采综采工作面高 产高效的关键因素。 2 煤 壁片帮 的原 因分析 1 地质因素。对于不 同的煤层 ，内部裂隙的 分布和发育有很大 的差异。软煤内部结构不致密 ， 且含有大量的微裂隙，当支承压力大于其抗压强度 时，可认为软煤层 的变形、破碎是 由众多微裂隙和 陈亮等大采高综采工作面煤壁片帮机理分析 2 0 1 1 年第 5期 不致密的煤块共同完 成 的。而硬 煤 的内部 结构致 密 ，微裂隙较少 ，但裂 隙的延展性较好 ，由于硬煤 致密 、强度大，在采动应力场的作用下 ，侧 向约束 力难 以达到破坏致密煤块的程度 ，则可认 为硬煤的 变形 、移 动 、破 碎 主 要是 由煤 体 内部 的裂 隙 引 起 的。 2 超前支承压力因素 。在 回采过程 中，煤层 在超前支承压力增压 区内，主应力差逐渐增大，在 其剪应力作用下工作面前方实煤会在原有裂隙结构 中进一步出现新的裂隙和扩展原有的裂隙，在达到 压力峰值 区时 ，剪应力值达到最大 ，而侧 向约束力 逐渐减弱 ，在原有裂隙和新产生的裂隙的尖端会出 现拉应力集中 ，导致裂隙扩展 、张开和贯通 ，煤层 整体强度进 一步减弱 ，在进入 到支承压力 峰值 区 后 ，侧向约束力逐渐减弱和消失 ，煤层整体强度失 效 ，仅维持残余强度值 。 3 综采工作面管理及操作 。如支架初撑力和 工作阻力过低 ，使支架不能有效接顶 ，支架的阻力 不能得到充分发挥 ， 煤壁所承受的压力就 比在正常 状态下承受 的压力大 ，此时如果煤壁受到的压力超 过煤体的强度极 限 ，必然造成煤体 发生塑性变形 ， 发生煤壁片帮事故 ；如采煤机运行速度较快 ，而移 架速度较慢 ，跟不上采煤机的运行 ，势必会造成移 架滞后 ，不能及时打开护帮板 ，使新暴露的煤壁不 能被及时有效的支护 ，使压力 向煤壁转移 ，从而导 致 煤壁 片帮 。 4 工作面推进方 向。仰斜开采基本顶岩梁不 易形成铰接平衡结构 ，使工作面受载加大 ，同时工 作面前方煤岩体重力的分力指 向采空区方向 ，使煤 壁更易片帮 ，机道易 冒顶 ，不利于煤壁及上方顶板 的维护。俯斜开采时 ，工作面基本顶岩梁重力的分 力倾向煤壁方 向，使直接顶下靠近煤壁 的煤体始终 处于挤压状态 ，受力状态 良好 ，使煤壁 的承载能力 增加 ，煤壁片帮 和机道冒顶都相应减少 。 5 基本顶来压。大采高综采工作面开采一次 性煤层厚度大 、开采强度高 ，工作面来压期间 ，基 本顶的回转运动对直接顶产生剪切和压缩破坏 ，将 部分支承压力转 移到煤壁上 ，工作 面来 压显 现剧 烈 ，易使围岩裂隙发育 ，对顶板岩体的稳定性极为 不利 ，矿山压力也容易导致大采高支架前方的煤壁 裂隙发育 ，易发生煤壁片帮诱发工作面机道冒顶。 6 工作面推进速度。煤壁处于超前支承压力 峰值后压碎状态在残余应力作用下产生塑性变形， 煤壁在地应力作用下 具有蠕变性 ，随着 时间的延 长 ，顶板下沉量逐渐增大，煤壁前方出现塑性破坏 的区域进一步向前延展 ，导致煤壁裂隙发育 ，煤体 整体强度失效 ，从而易发生煤壁片帮，甚至会引起 机道 冒顶 。 3 煤壁 片帮的数值模拟 大采高综采工作 面中，在煤层顶板 的载荷作用 下 ，靠近工作面的煤体首先发生破坏 ，进入塑性破 坏 区，已破坏煤体的强度迅速降低 ，靠近工作面的 煤体变成了弹塑性介质 ，当直接顶与基本顶的载荷 继续增加 ，大于靠近工作面煤体的残余强度时 ，煤 体整体强度失效 ，仅维持残余强度值 ，不再具有抗 载能力 ，致使顶板载荷向远处实煤逐渐转移 ，导致 工作面前方煤体 内形成塑性区的范围也逐渐增大 。 超前支承压力峰值范围之 内的煤体一般处于塑 性状态 ，峰值离煤壁越远 ，塑性破坏区的范围也越 大 ，发生煤壁片帮的概率也就越大。因此煤壁片帮 除了可以通过工作面采高范围内煤体 的破坏情况反 映以外 ，还可以通过超前支承压力峰值点的位置来 反 映 。 为了研究大采高综采工作面煤壁片帮的特征 ， 以某矿地质条件为例 ，其岩层力学参数见表 1 ，煤 层埋深约 6 5 0 m，模拟煤层厚度分别为 3 ． 5 、4 ． 5 、 5 ． 5 、6 ． 5 m，为了保证计算统计工作面煤壁前方塑 性 区范围和支承压力 峰值 点距煤壁水平距 离 的精 度 ，在建立模型时 ，在煤层水平方向、垂直方向上 对网格进行加密，每个单元格宽与高都为 0 ． 5 m。 表 1 岩层 力学参数 ．． ． 内摩擦抗拉强黏聚力／ 密度／ 体积模剪切模 石 角／ 。 ]3 ／ MP a MP a k g． m一 量／ G P a ／ G P a 细砂岩 4 2 粉砂岩 3 8 泥岩 3 2 煤 层 3 2 泥岩 3 0 砂质 泥岩4 O 1 ． 2 9 0 3 ． 2 O 1 ． 8 4 0 2． 7 5 0． 58 0 1 ． 2 O 0 ． 1 5 0 1 ． 2 5 0． 6 0 5 1 ． 2 O 2 ． O】 O 2 4 5 2 8 7 0 2 5 6 0 2 4 8 8 1 3 8 0 2 4 6 1 2 5 3 0 21 ． 0 o 6 1 0 ． 8 3 3 9 ． 9 7 0 4 ． 9 0 7 5 ． 1 2 O 6 ． 0 7 6 1 3 ． 5 2 2 8 ． 1 2 5 7 ． 3 5 0 2 ． o o 8 4 ． 73 0 3 ． 4 7 0 3 ． 1 煤壁塑性区模拟结果分析 图 l所示 为利用 F L AC 。 数值模拟软件模 拟得 到的工作 面煤 壁塑性 区分 布 图。数值模 拟结果表 1 9 2 0 1 1 年第5 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 9 卷 明，随着工作面采高的逐渐增大，工作面煤壁出现 塑性区的范围越来越大，意味着煤体的破坏深度也 随采高的增大而显著向煤壁前方加深 ，由表 2可以 看出当采高为 3 ． 5 i n时，煤壁出现塑性 区的面积为 9 ． 7 5 IT I 且煤体 的破坏深度为 3 i n ，而当采高增加 到 6 ． 5 n l 时 ，煤壁 出现塑 性 区 的 面积 已增 加 到 3 1 ． 5 i n 且煤体的破坏深度已达到了 5 IT I 。 l N赫 one 巾 _ N瓣one ‰ s l e a r o p t e n s i o n P d 6 ． 5 m 图 1 不同采高条件下工作面煤壁塑性 区分布 表 2 不 同采高条件下工作面煤壁塑-陛区分布统计 由图 1可以看 出，随着采高的增大 ，在煤壁 上 、下部和中部均 出现不 同的塑性变化 ，煤壁上 、 下部主要为剪切破坏区 ，煤壁中部则处于拉伸破坏 2 0 的区域，且随着采高逐渐增大 ，煤壁中部拉伸破坏 范 围也越大 ，宽度 由0 ． 5 m增加到 1 ． 0 m，高度 由 2 ． 5 m增加到 5 ． 5 m，数据表明工作面煤壁片帮随 着采高的增加愈发严重 ，煤壁片帮最严重的区域始 终是煤壁 中部 。 3 ． 2超前支承压力模拟结果分析 由图2可以得 出，超前支承压力峰值点距煤壁 的水平距离随采高的增加而增加 ，当采高从 3 ． 5 m 增加到 6 ． 5 m时 ， 其相对应的超前支承压力峰值点 距煤壁水平距离也 由3 m增加到 5 m，而且可以看 出当采高由4 ． 5 m增加到 5 ． 5 m时，其对应的超前 支承压力峰值点距煤壁水平距离 的增加值达到了 1 m，说明此时发生煤壁片帮的概率将大幅增加。由 图2可以看 出随着采高的增加 ，煤壁出现塑性破坏 区域的范围逐渐加大，片帮概率也相应增加 。 矗 ＼ 趟 图2 不同采高条件下超前支承压力峰值点分布 4 煤 壁片帮与机道 冒顶 的关 系 对于大采高综采工作面来说 ，煤壁片帮和机道 冒顶是工作面煤壁前方煤体发生破坏 的充分条件。 要实现大采高开采高产高效 、提高经济效益 的 目 的，就必须大力提高大采 高综采 工作面 的生产效 率 ，作为影响工作面生产效率的 2个重要因素 煤壁片帮和机道冒顶 ，煤壁片帮增加 了支架与煤壁 之间的端面距可能会诱发机道 冒顶 ，而机道冒顶反 过来又更加剧了煤壁片帮，2个 因素互相影响 ，恶 性循环。同时 ，煤壁片帮和机道 冒顶的发生也恶化 了支架与围岩的相互作用关系 ，使煤壁和机道顶板 稳定性维护更加困难。 5 结 论 1 从地质 因素、超前支承压力 因素 、综采工 作面管理及操作 、工作面推进方向、基本顶来压、 工作面推进速度 6个方面因素阐述了大采高综采工 作面煤壁片帮的原因。 下转第 2 4页 ∞∞ ． m 出 ●■瞳圈l [ ] 时 ～ ～ ～ ～ ～ ■■豳曩 ■ 2 0 1 1 年 第5 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 9 卷 3 结 论 1 岩石类 材料 的声 发射受 到多种 因素 的影 响 ，如强度 、节理、晶粒大小软硬 。 2 质软岩石 类材料 在弹性 阶段 的初期 和后 期，随着应力水平的增加声发射显著增加 ，特别是 在弹塑性阶段 ，声发射增长迅速。强度高的坚硬岩 石则无明显声发射产生。 3 部分质软岩石类材料在接近峰值强度时单 位时间内的声发射振铃数出现明显下降，即出现相 对平静期。这种现象可以用来解释现场监测中，岩 爆 、冒顶等岩石失稳发生前出现的声发射相对平静 现象 ，这对采场中岩石工程的稳定性监测和预报有 重要的指导作用和应用价值。 4 不同岩石 的峰后声发射特性也不相 同。对 于强度较高的坚硬岩石砂岩，由于到达峰值后完全 破坏 ，不能继续承载 ，没有声发射产生 ；对于相对 质软的岩石石灰岩 ，岩石峰值强度后 ，整体的声发 射率逐渐下降，但会 出现间歇性的激增。 参考文献 [ 2 ] K a i s e r J ． A S u t d y o f A c o u s t i c P h e n o m e n a i n T e n s i l e T e s t s[ D] ． Mu n i e h F RG T e c h n i s c h e Hoc h s c h u l e Mu n e h e n， 1 9 5 0 ． 山邦久 ．声发射 A E技术 的应用 [ M] ．冯夏庭 ，译 ．北 京 冶金工业出版社 ，1 9 9 9 ． [ 3] M a n s u r o v V A ． A c o u s t i c E mi s s i o n f r o m F a i l i n g Ro c k B e h a v i o r [ J ] ．R o c k E n g n g ，1 9 9 4 ， 2 7 3 1 7 3 1 8 2 ． [ 4 ] 陈忠辉 ，唐春安 ．岩 石破 裂声 发射过 程 的围岩 效应 [ J ] ． 岩石力学与工程学报 ，1 9 9 7 ，1 6 2 6 5 7 0 ． [ 5 ]P r i k r y l R， L o k a j i e e k T ，L i C，e t a 1 ． A c o u s t i c E mi s s i o n C h a r a c t e r i s t i c s a n d Fa i l u r e o f Un i a x i a l l y S t r e s s e d Gr a n i t i c R o c k s t h e E f f e c t o f R o c k F a b r i c[ J ] ．R o c k Me c h R ock E n g n g ， 2 0 0 3 ，3 6 4 2 5 5 - 2 7 0 ． [ 6] C h a n g S H，L e e C I ． E s t i m a t i o n o f C r a c k i n g a n d D a m a g e Me c h a - n i s ms i n Roc k U n d e r T r i a x i a l C o mp r e s s i o n b y Mo me n t T e n s o r A n a l y s i s o f A c o u s t i c E m i s s i o n [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u rnal of R ock Me c h a n i c s＆ M i n i n g S c i e n c e s ， 2 0 0 4，4 1 8 1 0 6 9 - 1 0 8 6 ． [ 7 ] 周小平 ，张永兴 ．大厂铜矿细脉 带岩石 结构面 直剪实验 中 声发射特 性 研究[ J ] ．岩 石 力学 与 工 程 学 报，2 0 0 2 ，2 1 5 7 2 4 7 2 7 ． [ 8 ] 唐绍辉 ．用分 维研究采场顶 板失稳 的声 发射过程[ J ] ．中 国有色金属学报 ，1 9 9 7， 7 3 2 2 2 5 ． [ 9 ] 王宁，王银通 ．岩体声 发射检测技 术在采 场 冒顶 片帮预报 中的应用[ J ] ．世界采矿快报 ，1 9 9 5 ，1 2 1 4 7 - 9 ． [ 1 O ] 田增 国，陈翠梅 ，刘祖强 ．三峡工程永久船 闸高边 坡岩体 变形声发射监测[ J ] ．工程勘察 ，2 0 0 9 1 0 8 2 8 6 ． [ 1 1 ] 鲍洪志 ，孙 连环 ．利用岩石声发射 K a i s e r 效应求取地应力 [ J ] ．断块油气 田，2 0 0 9 ，1 6 6 9 4 9 6 ． 作者 简介 唐瑭 1 9 8 7 一 ，男 ，湖 南邵 阳人 ，硕士 研究 生 ，研究方向为工 程力学。T e l 1 5 0 0 5 2 0 3 7 5 9，E- m a i l h u g h 8 7 1 2 6 ． c o m 收稿 日期 2 0 1 1 0 2 1 3 ；责任编辑曾康 生 上接第 2 O页 2 通过数值模拟可知 ，大采高综采工作面中 随采高的增加，煤壁出现塑性破坏 的范围和超前支 承压力峰值点距煤壁的水平距离都有明显增大的趋 势，煤壁片帮率与采高密切相关且随采高的增加而 增大 ，煤壁上 、下部主要 以剪切破坏为主，煤壁 中 部主要受拉伸破坏也是最易发生煤壁片帮的区域。 3 作为影 响大采高综采工作面生产效率 的 2 个重要因素煤壁片帮和机道 冒顶 ，煤壁片帮增 加了支架与煤壁之间 的端面距可能会诱发机道 冒 顶 ，而机道 冒顶反过来又更加剧了煤壁片帮 ，2个 因素互相影响，恶性循环。 参考文献 [ 2 ] 2 4 何富连 ，钱鸣高，刘长友 ．高产高效工作 面支架一 围岩保障 系统 [ M] ．徐州 中国矿业大 学出版社 ，1 9 9 7 6 2 1 2 4 ． 夏永学 ，康立军 ，齐 庆新 ．割煤 高度对 大采高 综放工作 面 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6] [ 7 ] 煤壁稳 定 性影 响 [ J ] ．煤 炭 科 学技 术 ，2 0 0 8 ，3 6 1 2 1 3 ． 宁宇．大采高综采煤壁片帮冒顶机理与控制技术 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 9 ，3 4 1 5 0 5 2 ． 郭保华，涂敏 ．浅谈我 国大 采高综采技术 [ J ] ．中 国矿 业 ，2 0 0 3，1 2 1 0 4 0 4 2 ． 宋朝 阳 ．寺河 矿大 采高 工作 面煤 壁 片 帮机理 及 防治措 施 [ J ] ．煤炭技术 ，2 0 0 7，2 6 4 5 2 5 5 ． ． 尹志坡 ．大 采高综采 工作 面煤壁 片 帮的分析 与预 防 [ J ] ． 华北科技学院学报 ，2 0 0 8，5 3 5 1 5 3 ． 牛艳奇 ，陈树义 ，刘俊 峰 ．大 采高综 采工作 面片帮加剧 机 理分析及 防治 措施[ J ] ．煤 炭科 学 技术 ，2 0 1 0 ，3 8 7 3 8- 4 0 作 者简 介 陈 亮 1 9 8 5 一 ，男 ，安 徽淮 南人 ，硕 士研 究 生，研 究 方 向 为 矿 山 压 力 与 岩 层 控 制 。T e l 1 5 0 0 5 5 4 3 8 0 0， Ema i l ．c l l 9 8 5 51 0 1 63 ． e o m 收稿 日期2 0 1 0 1 2 2 6；责任编辑曾康生