大采高工作面煤壁片帮模拟实验平台研制与教学实践

王兆会，唐岳松

（中国矿业大学（北京） 能源与矿业学院，北京 100083）

采矿工程专业知识具有较强的实践性，煤层赋存条件不同造成工作面开采环境差异巨大。单纯依靠理论教学很难为学生直观呈现工作面复杂的开采环境，因此，实践教学在采矿工程专业教学环节具有重要作用[1-4]。

煤壁片帮是煤炭地下开采活动中经常遇到的一类围岩失稳现象。特别是在大采高工作面，一次割煤高度增加，揭露煤壁高度增大，煤壁自稳能力降低，煤壁片帮现象发生频率逐年走高，成为制约大采高开采工作面生产潜能释放的主要因素[5-7]。为了提高大采高工作面煤壁稳定性控制效果，众多学者采用理论分析、数值计算、工程实测和模拟实验等手段对煤壁破坏机理进行了研究，得到了煤壁片帮条件，并提出了许多控制措施[8-10]。由于煤炭地下开采条件的复杂性，理论分析和数值计算结果通常作为辅助手段，难以直接指导工程实践，而工程实测需要耗费大量人力、物力，很少作为科学研究的常规手段。模拟实验则可真实再现采动影响下工作面煤壁渐进破坏过程，为煤壁稳定性研究提供了行之有效的手段[11]。

“矿山压力与岩层控制”作为采矿工程专业的一门主修专业课程，培养学生掌握大采高工作面煤壁片帮原因和控制方法是一项重点教学内容[12]。本文研发了一种煤壁片帮模拟实验平台，丰富了煤壁稳定性研究方法，同时应用于矿山压力与岩层控制课程教学环节，为学生直观演示煤壁渐进破坏过程，极大提高了实践教学效果。

1 煤壁片帮模拟实验平台研制

1.1 设计依据

图1 大采高工作面空间结构

大采高工作面空间结构如图1所示，煤壁稳定性主要受到煤壁高度、煤壁强度、支架参数、顶板压力等因素的影响，因此煤壁片帮模拟实验平台应包括煤壁、支架和顶板物理模型[7]。煤层开采导致岩层运动，部分岩层重力作用于工作面支架和煤壁之上，称为顶板压力，是导致煤壁片帮的直接因素。模拟实验平台采用加载系统精准控制顶板压力大小，从而模拟不同顶板岩层赋存条件。为实现实验结果定量分析，模拟平台配置了多个压力和位移传感器，实时采集实验数据。

根据几何相似、运动相似和动力相似三条相似准则，合理设计相似比，模拟实验系统能够真实再现课堂需要讲授的煤壁破坏现象，加强学生对传授知识的理解和掌握程度。对于不同开采条件，模拟实验采用的相似比不同，模型尺寸、材料强度、顶板压力的选择具有明显差异。本文研发的模拟实验平台可开展不同埋深、不同煤壁高度和不同支架刚度条件下的煤壁稳定性研究。

1.2 平台构成

煤壁片帮模拟实验平台包括物理模型、加载系统和数据采集系统三个模块，如图2所示。物理模型模块用于铺设模拟煤壁的相似材料模型，以实际采矿地质条件为基础，依据相似定律确定相似比，将石英砂、石膏和石灰按设计比例混合均匀，铺设于实验平台框架之上，模型最大尺寸可达到 0.8 m×0.8 m×1.5 m。支架模型根据实际工作面支架型号选取，最大支撑高度为 1.5 m，与模型高度一致，支架刚度具有三种类型可供选择，分别为1.0、1.5和2.0 MN/m。加载系统包括模拟直接顶的混凝土厚板和直接顶之上的岩层重力。岩层重力采用大容量千斤顶模拟，根据实际顶板压力对模型进行应力补偿，最大限度还原真实煤壁所处的应力环境。加载系统最大施加载荷可达到100 kN，可模拟埋深达1 000 m的顶板压力值。数据采集系统包括用于监测顶板和煤壁变形量的线性可变差动变压器（LVDT）装置、WXY15M-200-R1位移传感器和nRF24L01型高速无线收发装置[13]。煤壁变形数据分为水平位移和垂直位移，垂直位移监测采用外置式LVDT装置，固定于煤壁外侧，连接数据采集仪实时采集，采集精度达到0.01 mm；WXY15M-200-R1位移传感器为拉绳式水平位移测量装置，预先埋设于模型内部，在工作面中部沿推进方向布置，分别埋设于煤壁上部、中部和底部，用于分析煤壁不同位置的水平变形特征，水平位移数据接收和传输均采用nRF24L01型高速无线收发模块完成。

图2 煤壁片帮模拟实验平台

2 煤壁片帮模拟实验教学方案

2.1 实验方案制定

本次教学实验以神东上湾煤矿7.0 m大采高工作面煤壁片帮事故为工程背景，设计煤壁片帮模拟实验方案。上湾煤矿大采高开采工程实践表明煤壁高度和支架刚度是影响煤壁稳定性的关键因素，因此分别以煤壁高度和支架刚度为变量设计了两组实验，用于观察和讲授上述两种因素对煤壁稳定性的影响，实验方案如表1所示。

表1 煤壁片帮实验方案设计

2.2 模型铺设与载荷施加

根据上湾煤矿大采高工作面的开采参数，选取几何相似比为 1∶10，容重相似比为 1∶1.6，进行物理模型铺设。选取石英砂、石膏和石灰为相似材料（见图3），按8∶5∶5的质量比例混合，加入占前述材料总质量 8%的水搅拌均匀，进行模型铺设，每次铺设高度为5 cm。模型铺设完毕后，等待3 d将模型晾干，避免水分过多影响模拟实验结果。模型铺设和晾干过程中，室验室内部温度和湿度保持不变，避免外部环境对模拟实验结果的影响。模型晾干后，在煤壁表层刷白色无强度的颜料，画上0.1 m×0.1 m规格的参考网格线，便于观测煤壁变形特征和裂隙发育特征。

根据上湾煤矿开采实践，顶板压力大小利用加载系统进行补偿，采用计算机控制千斤顶逐级加载，模拟采动范围增加导致顶板压力逐渐增大的过程。加载速度为5.0 kN/min，用于模拟顶板压力向煤壁和液压支架转移的过程，给物理模型足够的变形时间。上述加载过程中对煤壁压力和煤壁变形数据进行实时采集。为简化实验操作，支架立柱可采用弹簧代替，弹簧的刚度即为支架刚度。为保证实验的科学性，煤壁、支架、顶板参数及实验过程中的操作流程、加载速度等因素均保持一致。

图3 相似材料

3 煤壁片帮模拟实验结果

3.1 煤壁变形特征

实验过程中监测所得煤壁垂直和水平变形演化特征如图4所示。初始加载阶段，作用于煤壁之上的顶板压力较小，煤壁垂直和水平位移增长速度均很小，处于低速变形阶段；加载时间50 s后，煤壁垂直变形量进入快速增长阶段，垂直变形高速增长过程持续至250 s；之后垂直变形速度开始降低，煤壁内出现裂隙发育现象，承载能力开始降低，最大垂直变形量达到45 mm。

图4 煤壁变形演化特征

煤壁水平变形低速增长阶段持续至150 s，表明煤壁水平变形的压力敏感性低于垂直变形。随着加载进程的继续，煤壁水平变形开始快速增长，250 s时煤壁承载能力降低，水平变形增长速度出现降低趋势。随着煤壁损伤程度升高，大尺度裂隙开始在煤壁中形成，横向变形在约280 s时出现激增现象，表明破坏裂隙开始贯通，煤壁发生片帮现象。埋设于物理模型中的三个传感器仅上部和中部传感器监测到变形，下部传感器读数始终为0，表明煤壁下部没有发生变形现象，由图4(b)可知煤壁上部水平变形（35 mm）明显大于煤壁中部的水平变形（28 mm）。

煤壁高度和支架刚度对煤壁变形特征的影响如图5所示。煤壁高度增加，水平变形量增大，表明煤壁高度增加加剧了采动裂隙发育程度，导致煤壁片帮程度升高，这也是神东矿区大采高工作面煤壁片帮现象频发的原因。支架刚度增大，煤壁水平变形呈现降低的趋势，表明选用高刚度液压支架有助于提高煤壁的稳定性。实验结果有效验证了在以往教学内容始终强调的“提高工作面液压支架额定工作阻力，有利于控制顶板稳定性”这一结论；同时表明提高液压支架刚度对煤壁片帮现象具有很好的抑制作用。

图5 煤壁变形特征影响因素

3.2 煤壁片帮形态

煤壁高度对片帮形态的影响如图6所示。煤壁高度3 m的条件下，工作面表现为上部片帮，片帮高度约0.8 m，片帮深度约0.3 m；煤壁高度增加至5 m时，煤壁破坏范围增加，表现为中部和上部同时片帮，片帮高度达到2.8 m，片帮深度为0.5 m；煤壁高度增加至7 m时，片帮范围扩展至底板附近，片帮深度达到1.0 m；煤壁高度增加至9 m时，揭露范围内的煤壁全部发生破坏，表现为整体片帮形式，片帮深度增加至1.3 m。由不同采高条件下煤壁的破坏形态可知：随着煤壁高度增加，煤壁破坏范围扩大，片帮程度升高，对开采安全的威胁程度增大。

图6 煤壁高度对片帮形态的影响

不同支架刚度条件下，煤壁破坏形态如图7所示。支架刚度为1.0 MN/m时，煤壁呈现整体片帮形式，最大破坏深度达到 1.0 m，位于煤壁中部，煤壁破坏面积达到模型尺寸的64%；支架刚度为1.5 MN/m时，煤壁呈现中部和上部同时片帮，最大破坏深度达到0.8 m，位于煤壁上部，煤壁破坏面积达到模型尺寸的50%；支架刚度为2.0 MN/m时，煤壁呈现上部片帮形式，破坏高度和深度均明显减小，分别为3.6和0.7 m，煤壁破坏面积达到模型尺寸的33%。

图7 支架刚度对煤壁破坏形态的影响

4 实践教学效果分析

4.1 直观呈现煤壁片帮现象，提高教学效果

模拟实验能够直观展示煤壁破坏裂隙由萌生到扩展直至贯通的整个发育过程，真实地再现了煤壁片帮现象。实验表明，煤壁片落块体对支架和实验台均会产生冲击效果，特别是片落块体体积大，片帮位置集中于上部时，煤壁片帮会对支架、顶板的稳定会造成严重的威胁。上述实验现象能够直接展现，对学生的视觉冲击性强，提高了学生对煤壁片帮现象的理解程度，让学生感受到了煤壁片帮的危害；实验在专业实验员指导下完成，让学生亲身参与实验，实验全程无危险隐患，实验平台安全性良好，学生能根据自己设计的实验参数进行相应实验操作，从模拟煤壁模型的搭建，到顶板、支架和加载系统的布置，再到对煤壁加载直至片帮的整个过程均可以由学生亲手操作完成，有效地提高学生动手操作能力；实验中学生能充分了解大采高工作面顶板—煤壁—支架的空间关系和相互作用效果，在安全区域全方位观察煤壁片帮发生过程及煤壁片落形态，将课本中的图片转为空间模拟实验，能有效加深学生对相关知识的理解。

4.2 “学—研”结合，激发学生自主学习兴趣

将科研成果融入课堂，通过讲授研究成果对工程实践的指导意义，激发了学生对采矿工程的专业认同感，让学生明确采矿工程是一门科学，采矿过程遇到的每个难题都是一项科学问题，需要结合力学、高等数学、地质学、系统工程等多个学科进行解释和分析，科学的开采才是保障生产效率和安全的必由之路。强烈的实验冲击效果能让学生深刻认知煤壁片帮现象对煤炭安全开采的威胁，促进学生探索解决问题的方法，提高发现并解决问题的能力，在指导教师的引导下让学生在现有的实验基础上创新思考，大胆设想，提出相应的煤壁片帮治理方案如对煤壁进行注浆加固、优化支架结构、调整支架参数等，同时利用实验平台对自己的创新性想法进行实验验证。

5 结语

本文研发了一种大采高工作面煤壁片帮模拟实验平台，包括物理模型、加载系统和数据采集系统三个模块，可改变煤壁高度、强度、支架刚度等参数实现多种开采条件的模拟实验。实验教学方法为学生直观演示了大采高工作面煤壁变形破坏的全程演化特征，形象展示了各类片帮模式，加深了学生对知识点的掌握程度。将研发的实验平台应用于实践教学环节，实现了“学—研”结合，激发了学生自主学习兴趣，提高了学生发现和解决问题的能力，培养了学生的科研兴趣和动手操作能力。