[科普中國]-煤壁

高強(qiáng)度、大采高開采條件下，硬煤煤壁破壞的頻率及程度逐漸嚴(yán)重，為提高該類工作面煤壁穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)安全、高效開采，采用室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析及現(xiàn)場實(shí)測綜合手段對硬煤煤壁破壞形式、發(fā)生機(jī)理及影響因素進(jìn)行分析。

簡介煤壁破壞是影響采煤工作面高效推進(jìn)的主要因素之一。相對而言，軟煤層工作面煤壁破壞更加頻繁和嚴(yán)重，但是隨著大采高開采工藝的推廣應(yīng)用，一些硬煤工作面的煤壁破壞也頻繁出現(xiàn)，這會嚴(yán)重制約大采高工作面潛能發(fā)揮，影響高產(chǎn)高效。近年來對煤壁破壞機(jī)理和防治技術(shù)有許多研究，文獻(xiàn)提出了煤壁破壞的拉裂、剪切破壞2種形式，給出了軟煤層煤壁發(fā)生剪切破壞的條件，提出減緩煤壁壓力、改變煤體性質(zhì)等進(jìn)行煤壁破壞防治;文獻(xiàn)結(jié)合實(shí)際工程等對影響煤壁穩(wěn)定性因素及控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究，如調(diào)節(jié)工作面推進(jìn)速度、采高及注漿等幾種煤壁穩(wěn)定性控制措施，以及提出了支架阻力確定的二元準(zhǔn)則;尹希文等通過實(shí)測及數(shù)值模擬得到煤壁表面變形特征及常見破壞形式，將煤壁前方煤體視為條柱壓桿，利用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原理得到煤壁條柱失穩(wěn)條件;袁永等將片落煤體視為楔形體，分析了煤壁發(fā)生壓剪破壞的條件及煤壁穩(wěn)定性影響因素;方新秋等將剪切破壞面視為圓弧滑面分析了煤壁壓剪破壞條件，依據(jù)煤壁穩(wěn)定性影響因素提出控制三原則，并對木錨桿支護(hù)布置進(jìn)行的設(shè)計(jì)研究; 寧宇等分析了端面距對煤壁穩(wěn)定性的影響及煤壁破壞同頂板冒落之間的相互作用

關(guān)系。以上研究成果多集中于煤壁發(fā)生剪切破壞的情況，雖然提出了煤壁存在拉裂破壞的思想，但沒有對其發(fā)生條件及影響因素進(jìn)行深入分析。大量工程實(shí)踐表明硬煤層在高強(qiáng)度開采條件下，開挖卸荷后，堅(jiān)硬煤壁同樣不能保持自身穩(wěn)定性，容易發(fā)生拉剪、拉裂型破壞。同軟煤工作面相比，該類煤壁破壞存在片幫煤體塊度大、突發(fā)性強(qiáng)、伴隨較大聲響等特征，甚至出現(xiàn)煤塊拋擲(動力破壞)現(xiàn)象，危害程度高、控制難度大。1

煤體破壞形式分析煤體的硬度系數(shù)可由其單軸強(qiáng)度除10得到，煤體硬度系數(shù)>3時(shí)便不再建議采用放頂煤開采方法，但工程實(shí)踐表明煤體硬度系數(shù)接近3時(shí)頂煤很難破碎，因此，此處采取更為保守的原則，認(rèn)為煤體硬度系數(shù)2則為硬煤。單軸試驗(yàn)中軟煤應(yīng)力－應(yīng)變曲線可由峰前階段圓滑過渡至峰后階段，沒有在峰值點(diǎn)發(fā)生突跳現(xiàn)象，為典型的I 類曲線，煤樣不會發(fā)生崩潰式破壞，宏觀破壞面為壓剪型斜切主裂紋，翼裂紋發(fā)育程度高; 硬煤破壞時(shí)應(yīng)力發(fā)生突然跌落，且存在彈性變形回彈現(xiàn)象，局部表現(xiàn)為II類破壞曲線，達(dá)到峰值時(shí)煤樣破壞不需外力做功，貯存于試件中的能量一部分轉(zhuǎn)化為破壞煤塊的初始動能，導(dǎo)致硬煤破壞面法向張開度較大，宏觀破壞面表現(xiàn)出劈裂破壞特征。

軟煤、硬煤應(yīng)力－應(yīng)變曲線在峰值階段出現(xiàn)明顯差異原因?yàn)樽冃螀?shù)不同導(dǎo)致單向加載過程中煤樣試件中應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)明顯差異。

(1) 單軸抗壓條件下，軟煤表現(xiàn)為靜力破壞、硬煤趨于動力破壞，小泊松比導(dǎo)致的橫向拉應(yīng)力是軟煤、硬煤出現(xiàn)不同破壞形式的內(nèi)在原因，圍壓可以有效控制煤體破壞的脆－延轉(zhuǎn)化，使硬煤由動力破壞轉(zhuǎn)變?yōu)殪o力破壞。

(2) 根據(jù)頂板同煤層的不同接觸形態(tài)將頂板、煤壁及支架形成的平衡系統(tǒng)模型簡化為2種邊界條件，由煤體物理參數(shù)、應(yīng)力狀態(tài)及邊界條件的不同提出壓剪、拉剪及拉裂3種煤壁破壞形式，硬煤破壞屬于后兩者。

(3) 建立煤壁拉剪型、拉裂型破壞的力學(xué)分析模型，分別得到?jīng)Q定兩種煤壁破壞事故能否發(fā)生的煤壁極限承載能力，進(jìn)而得到煤壁拉剪型破壞的起裂角度及拉裂型片幫深度表達(dá)式及影響因素，為煤壁破壞防治工藝優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

(4) 對2種煤壁破壞形式影響因素進(jìn)行敏感度分析:各因素對煤壁拉剪型破壞的影響程度依次為黏聚力、頂板壓力、支架阻力、抗拉強(qiáng)度，采高、護(hù)幫板載荷、護(hù)幫高度對煤壁承載能力的影響不明顯; 對煤壁拉裂型破壞的影響程度依次為抗拉強(qiáng)度、采高、頂板壓力、支架阻力、控頂距、護(hù)幫板載荷。1

大采高煤壁柔性加固工程應(yīng)用堅(jiān)硬煤壁破壞的防治最佳措施是提高工作面煤體的抗拉強(qiáng)度。傳統(tǒng)煤壁加固技術(shù)，存在延伸量較小、支護(hù)強(qiáng)度低、支護(hù)效果差、成本高、抗剪能力差、漿液流動不可控、影響煤質(zhì)等問題，因此，采用煤壁柔性加固技術(shù)提高煤壁穩(wěn)定性。煤壁柔性加固機(jī)理是通過漿液使具有一定剛度和伸長率的棕繩很好的附著在煤體內(nèi)，形成全長錨固，實(shí)現(xiàn)對煤體加固。

為治理煤壁破壞和冒頂事故，提高圍巖穩(wěn)定性，對堅(jiān)硬煤壁橫向?qū)永戆l(fā)育、受構(gòu)造斷層影響地段進(jìn)行“棕繩+注漿”柔性加固技術(shù)。采用地質(zhì)鉆機(jī)打孔，嚴(yán)格控制鉆孔角度和深度，柔性加固材料棕繩和注漿管捆綁后伸入鉆孔，并把棕繩一端固定在鉆孔孔底，給棕繩的另一端施加拉力，使其釋放掉一定的初始變形，提高對煤壁變形的抑制能力。采用ZBQ-5/12型注漿泵進(jìn)行注漿，注漿壓力達(dá)3～8MPa;為保證漿液充分?jǐn)U散并且防止漏漿，注漿孔外用紗布等將孔口堵嚴(yán)。

實(shí)踐證明“棕繩+注漿”加固對煤壁拉伸破壞起到有效抑制作用，注漿后沿傾斜方向煤壁破壞長度減少至工作面總長度的8%，約減少了原破壞范圍的75%，且沒有發(fā)生大范圍的煤壁破壞現(xiàn)象，破壞深度和破壞煤體塊度均明顯減小，煤壁穩(wěn)定性得到提高，保證了大采高工作面的安全快速推進(jìn)，提高了開機(jī)率。21

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李曉林 - 教授 - 西南大學(xué)