《Eng》：Coal Rib Instability and Differential Control in Steeply Inclined Working Faces with Coal Seam Partings
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摘要：煤壁失稳是含夹矸急倾斜大采高长壁工作面面临的关键挑战。以长城一号煤矿4103工作面为工程案例，本研究综合理论分析、数值模拟和现场验证，探究其潜在破坏机制。研究人员采用极限平衡分析建立了分段剪切滑移力学模型，推导出稳定裕度，并据此量化了煤层倾角、采高及夹矸
摘要：煤壁失稳是含夹矸急倾斜大采高长壁工作面面临的关键挑战。以长城一号煤矿4103工作面为工程案例，本研究综合理论分析、数值模拟和现场验证，探究其潜在破坏机制。研究人员采用极限平衡分析建立了分段剪切滑移力学模型，推导出稳定裕度，并据此量化了煤层倾角、采高及夹矸性质对煤壁稳定性的耦合影响。三维离散元模拟进一步揭示，煤壁变形遵循一致的空间规律——中段>上段>下段——且夹矸的位置和数量会改变载荷传递路径和破坏面连续性。基于上述发现，研究人员实施了一套协同控制策略，包括分区差异支护、开采参数动态调整和局部加固。现场应用显著降低了煤壁片帮的频率和深度，并改善了支护稳定性和生产连续性。研究结果为类似急倾斜大采高条件下的煤壁控制提供了实践依据。
论文解读：急倾斜含夹矸煤层煤壁失稳机制与协同控制研究
一、研究背景与问题提出
急倾斜煤层通常指倾角介于35°至55°之间的煤层，约占中国煤炭总储量的20%。由于其特殊的地质赋存环境，急倾斜工作面开采过程中煤壁承受多方向耦合载荷，包括重力牵引、顶板压力、支承应力及开采扰动等。与缓倾斜或近水平煤层相比，急倾斜工作面煤壁片帮呈现显著的分带性和沿倾向的渐进扩展特征，易导致非对称变形、支护载荷不均以及顶板-煤壁复合失稳风险增大。含夹矸煤层的存在进一步使工作面前方煤体不再是均质体，而成为煤-夹矸-煤的层状复合结构，这种结构异质性改变了应力重分布、裂隙扩展路径、界面滑移行为及煤壁承载特性。
尽管前期研究已在煤壁稳定性和片帮机制方面取得进展，但仍存在若干关键问题：其一，煤层倾角、采高与夹矸性质对煤壁失稳的耦合效应鲜有综合考察；其二，夹矸在改变载荷传递路径、剪切滑移面及煤壁片帮空间分异中的作用机制尚不清楚；其三，现场破坏模式、力学稳定性分析、三维数值模拟与工程控制措施之间缺乏系统关联。本研究以长城一号煤矿4103工作面为工程背景，通过现场调查、理论建模、数值模拟和工程实践，系统开展了急倾斜大采高含夹矸工作面煤壁失稳机制与差异控制研究。该论文发表于《Eng》期刊。
二、主要技术方法
研究人员综合运用理论分析、数值模拟和现场验证三种手段。理论分析方面，基于极限平衡方法建立了含夹矸煤壁的分段剪切滑移力学模型，推导出稳定裕度表达式。数值模拟方面，采用三维离散元程序3DEC，根据4103工作面地质与开采条件构建三维数值模型，模型尺寸为280 m×200 m×300 m（Y、X、Z方向），模拟工作面长度260 m，分10 m增量开挖，模型顶面施加10 MPa垂直应力模拟约400 m埋深的覆岩载荷。现场验证方面，在4103工作面直接开展工程应用，对比控制措施实施前后的煤壁片帮频率、最大片帮深度和支护载荷波动率等指标。
三、研究结果与分析
1. 现场破坏特征与分类
通过现场调查，研究人员将4103工作面煤壁及端面失稳模式划分为四种代表类型：顶部煤壁同步片帮与冒顶、顶部楔形滑动、中部沟槽状破坏以及夹矸控制的阶梯状破坏。室内试验测得1号煤单轴抗压强度仅为1.86 MPa，而坚硬夹矸强度高达57.63 MPa，这种显著的强度差异导致复合煤壁内部产生强烈的非均匀变形和载荷传递。
2. 分段剪切滑移力学模型
研究人员根据夹矸位置将三角形滑体划分为三个子块体，基于摩尔-库仑准则定义沿潜在滑面的抗力T与驱动力S，两者之差即为稳定裕度D=T-S。当D>0时煤壁稳定，当D<0时发生剪切滑移失稳。参数分析表明：煤体黏聚力对稳定裕度有正向影响，参考条件下临界黏聚力约为5.31 MPa；采高增大加剧煤壁失稳风险；煤层倾角从20°增至50°时稳定裕度单调下降。对于夹矸参数，夹矸黏聚力增大使D近似线性提高，临界值约为25.92 MPa；夹矸厚度增大同样提高稳定裕度，但理论临界厚度8.31 m远超实际工程范围，因此应理解为单调稳定化趋势。
3. 数值模拟研究
3DEC模拟结果表明，煤壁变形呈现一致的空间规律——中段>上段>下段。倾角从30°增至50°时，中段峰值水平位移从0.792 m增至1.120 m，变形场非对称性加剧。沿采高方向，中部1.5~2.5 m区间变形最显著，表现为大面积片帮和阶梯状破坏；顶部2.5~4.0 m区间以滑动片帮和块体脱落为主；底部0~1.5 m区间受底板约束和垮落矸石的部分支撑，以浅部局部片帮为主。采高从3 m增至5 m时，煤壁最大水平位移从0.72 m增至1.17 m，提高62.5%。夹矸厚度从0.4 m增至0.8 m时，煤壁最大水平位移从0.82 m降至0.46 m，降幅达43.9%。夹矸位置从距顶板3 m上移至1 m时，煤壁最大水平位移从1.17 m降至0.58 m。夹矸数量从一层增至三层时，最大水平位移从0.82 m降至0.29 m。
4. 协同控制策略与现场应用
基于上述失稳机制，研究人员提出协同控制策略，包括三个核心方面：分区差异支护，在中上段采用高初撑力液压支架并增大护帮高度和护帮力，下段优化支架底座与底板接触；开采参数动态调整，维持较高推进速度以缩短高支承应力持续时间，根据空间变形差异分区调整采高；煤壁及煤-夹矸界面局部加固，在中上段实施注浆改善煤体完整性，视需要安装可切割锚杆提供即时约束。
四、结论与讨论
现场应用效果显著：煤壁片帮频率从每周5.8次降至2.1次，最大片帮深度从1.70 m降至0.65 m，支护载荷波动率从28%降至15%。研究证实，分区支护、参数调整和局部加固的组合方案能有效控制4103工作面地质开采条件下的煤壁片帮问题。
研究结论可归纳为四点：急倾斜工作面煤壁变形呈现中段>上段>下段的稳定空间规律，倾角增大加剧峰值位移和变形场非对称性；采高增大通过扩大暴露自由面和潜在滑体降低煤壁稳定性；完整胶结界面条件下，增大夹矸厚度、使夹矸靠近顶板以及增加夹矸数量均增强对煤壁的约束作用；基于空间分异失稳机制制定的协同控制策略在现场应用中显著降低了片帮频率和深度，稳定了支护载荷。
值得指出的是，本研究数值模型中未对煤-夹矸界面进行单独标定的弱界面参数设置，界面劣化可能促进接触张开和滑移，从而削弱夹矸的加固贡献。此外，研究采用控制变量法捕捉一阶效应而非全因子交互分析，方案向其他矿井迁移时需结合当地煤层强度、界面条件、支护能力和开采几何条件进行针对性评估。
