煤壁

煤帮

煤壁（wall）又称煤帮，是指采煤工作面上待开采的煤体。煤壁是采煤工作的对象，人们通过各种方法从垂直于煤层层面的方向切割煤体而形成一定高度和长度的煤体壁面。煤壁的长度就是采煤工作面的长度；煤壁的高度就是采煤工作面上采落煤炭的高度。随着采煤工作的进行，回采工作面上旧的煤壁被破坏，同时又形成新的煤壁。煤壁的这种不断更新就是采煤工作从开切眼位置不断向前推进的过程。

煤壁破坏

高强度、大采高开采条件下，硬煤煤壁破坏的频率及程度逐渐严重，为提高该类工作面煤壁稳定性，实现安全、高效开采，采用室内试验、理论分析及现场实测综合手段对硬煤煤壁破坏形式、发生机理及影响因素进行分析。

煤壁破坏是影响采煤工作面高效推进的主要因素之一。相对而言，软煤层工作面煤壁破坏更加频繁和严重，但是随着大采高开采工艺的推广应用，一些硬煤工作面的煤壁破坏也频繁出现，这会严重制约大采高工作面潜能发挥，影响高产高效。近年来对煤壁破坏机理和防治技术有许多研究，文献提出了煤壁破坏的拉裂、剪切破坏2种形式，给出了软煤层煤壁发生剪切破坏的条件，提出减缓煤壁压力、改变煤体性质等进行煤壁破坏防治;文献结合实际工程等对影响煤壁稳定性因素及控制技术进行了深入研究，如调节工作面推进速度、采高及注浆等几种煤壁稳定性控制措施，以及提出了支架阻力确定的二元准则;尹希文等通过实测及数值模拟得到煤壁表面变形特征及常见破坏形式，将煤壁前方煤体视为条柱压杆，利用结构稳定性原理得到煤壁条柱失稳条件;袁永等将片落煤体视为楔形体，分析了煤壁发生压剪破坏的条件及煤壁稳定性影响因素;方新秋等将剪切破坏面视为圆弧滑面分析了煤壁压剪破坏条件，依据煤壁稳定性影响因素提出控制三原则，并对木锚杆支护布置进行的设计研究; 宁宇等分析了端面距对煤壁稳定性的影响及煤壁破坏同顶板冒落之间的相互作用

关系。以上研究成果多集中于煤壁发生剪切破坏的情况，虽然提出了煤壁存在拉裂破坏的思想，但没有对其发生条件及影响因素进行深入分析。大量工程实践表明硬煤层在高强度开采条件下，开挖卸荷后，坚硬煤壁同样不能保持自身稳定性，容易发生拉剪、拉裂型破坏。同软煤工作面相比，该类煤壁破坏存在片帮煤体块度大、突发性强、伴随较大声响等特征，甚至出现煤块抛掷(动力破坏)现象，危害程度高、控制难度大。

煤体破坏形式分析

煤体的硬度系数可由其单轴强度除10得到，煤体硬度系数>3时便不再建议采用放顶煤开采方法，但工程实践表明煤体硬度系数接近3时顶煤很难破碎，因此，此处采取更为保守的原则，认为煤体硬度系数2则为硬煤。单轴试验中软煤应力－应变曲线可由峰前阶段圆滑过渡至峰后阶段，没有在峰值点发生突跳现象，为典型的I 类曲线，煤样不会发生崩溃式破坏，宏观破坏面为压剪型斜切主裂纹，翼裂纹发育程度高; 硬煤破坏时应力发生突然跌落，且存在弹性变形回弹现象，局部表现为II类破坏曲线，达到峰值时煤样破坏不需外力做功，贮存于试件中的能量一部分转化为破坏煤块的初始动能，导致硬煤破坏面法向张开度较大，宏观破坏面表现出劈裂破坏特征。

软煤、硬煤应力－应变曲线在峰值阶段出现明显差异原因为变形参数不同导致单向加载过程中煤样试件中应力状态出现明显差异。

(1) 单轴抗压条件下，软煤表现为静力破坏、硬煤趋于动力破坏，小泊松比导致的横向拉应力是软煤、硬煤出现不同破坏形式的内在原因，围压可以有效控制煤体破坏的脆－延转化，使硬煤由动力破坏转变为静力破坏。

(2) 根据顶板同煤层的不同接触形态将顶板、煤壁及支架形成的平衡系统模型简化为2种边界条件，由煤体物理参数、应力状态及边界条件的不同提出压剪、拉剪及拉裂3种煤壁破坏形式，硬煤破坏属于后两者。

(3) 建立煤壁拉剪型、拉裂型破坏的力学分析模型，分别得到决定两种煤壁破坏事故能否发生的煤壁极限承载能力，进而得到煤壁拉剪型破坏的起裂角度及拉裂型片帮深度表达式及影响因素，为煤壁破坏防治工艺优化提供理论基础。

(4) 对2种煤壁破坏形式影响因素进行敏感度分析:各因素对煤壁拉剪型破坏的影响程度依次为黏聚力、顶板压力、支架阻力、抗拉强度，采高、护帮板载荷、护帮高度对煤壁承载能力的影响不明显; 对煤壁拉裂型破坏的影响程度依次为抗拉强度、采高、顶板压力、支架阻力、控顶距、护帮板载荷。

大采高煤壁柔性加固工程应用

坚硬煤壁破坏的防治最佳措施是提高工作面煤体的抗拉强度。传统煤壁加固技术，存在延伸量较小、支护强度低、支护效果差、成本高、抗剪能力差、浆液流动不可控、影响煤质等问题，因此，采用煤壁柔性加固技术提高煤壁稳定性。煤壁柔性加固机理是通过浆液使具有一定刚度和伸长率的棕绳很好的附着在煤体内，形成全长锚固，实现对煤体加固。

为治理煤壁破坏和冒顶事故，提高围岩稳定性，对坚硬煤壁横向层理发育、受构造断层影响地段进行“棕绳+注浆”柔性加固技术。采用地质钻机打孔，严格控制钻孔角度和深度，柔性加固材料棕绳和注浆管捆绑后伸入钻孔，并把棕绳一端固定在钻孔孔底，给棕绳的另一端施加拉力，使其释放掉一定的初始变形，提高对煤壁变形的抑制能力。采用ZBQ-5/12型注浆泵进行注浆，注浆压力达3～8MPa;为保证浆液充分扩散并且防止漏浆，注浆孔外用纱布等将孔口堵严。

实践证明“棕绳+注浆”加固对煤壁拉伸破坏起到有效抑制作用，注浆后沿倾斜方向煤壁破坏长度减少至工作面总长度的8%，约减少了原破坏范围的75%，且没有发生大范围的煤壁破坏现象，破坏深度和破坏煤体块度均明显减小，煤壁稳定性得到提高，保证了大采高工作面的安全快速推进，提高了开机率。

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