軟煤層大采高工作面煤壁片幫機(jī)理與控制

賈文安

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原030024；2.潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)公司，山西 長(zhǎng)治046103）

大采高綜采技術(shù)具有回采率高、含矸率低、粉塵少、管理和操作簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，然而應(yīng)用該技術(shù)的關(guān)鍵是煤壁片幫能夠得到有效控制〔1〕。開(kāi)采實(shí)踐和理論研究表明：隨著采高增加，煤壁更容易片幫；松軟大采高工作面煤壁片幫概率較普通工作面更大〔2－3〕。軟煤層大采高工作面煤壁片幫后，采場(chǎng)頂板進(jìn)一步惡化，液壓支架受力失衡，導(dǎo)致支架—圍巖關(guān)系不平衡而引起采面頂板冒漏，這樣容易造成綜采設(shè)備無(wú)法發(fā)揮其性能，對(duì)采場(chǎng)安全造成嚴(yán)重威脅。因此，研究煤壁片幫機(jī)理與控制對(duì)于提高軟煤層大采高工作面的安全、高產(chǎn)和高效開(kāi)采具有重要意義。

1 工作面概況

3201工作面是山西某礦二采區(qū)的首采工作面，該工作面西部為東翼回風(fēng)、運(yùn)輸和軌道下山，南部和東部為實(shí)體煤，北部為正在掘進(jìn)的3203工作面。該工作面所采煤層為山西組3號(hào)煤層，工作面范圍內(nèi)煤層厚度為4.8～6.4 m，平均為5.6m；煤層傾角為3°～14°，平均為7.5°；煤層主要呈線(xiàn)理狀和厚層狀，局部可見(jiàn)塊狀結(jié)構(gòu)和條帶狀，煤層節(jié)理裂隙較發(fā)育，但發(fā)育密度和規(guī)則性不夠明顯。工作面頂板巖層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，直接頂為均厚8.4m的炭質(zhì)泥巖～砂質(zhì)泥巖～煤線(xiàn)～炭質(zhì)泥巖，基本頂為均厚12.6m的粗粒砂巖～砂質(zhì)泥巖～粉砂巖，直接底為均厚4.6m的炭質(zhì)泥巖～砂質(zhì)泥巖，基本底為均厚7.5m的砂質(zhì)泥巖～粗粒砂巖；工作面頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，泥巖較破碎，整體巖性強(qiáng)度較弱，尤其是底板前部巖層破碎嚴(yán)重。工作面采用大采高綜合機(jī)械化開(kāi)采，設(shè)計(jì)可采走向長(zhǎng)度和傾向長(zhǎng)度分別為1640m和220m，所用液壓支架型號(hào)為ZY12000／28／62D，工作面沿頂、底板推進(jìn)，采用四六作業(yè)制度。

2 煤壁片幫機(jī)理研究

2.1 理論分析

理論認(rèn)為，井巷圍巖失衡根本原因均是礦山壓力作用結(jié)果，煤壁片幫作為一種特殊的圍巖破壞形式，是由于工作面開(kāi)挖和回采破壞了其原有的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)，造成煤壁煤體水平應(yīng)力降低和消失，從而使其處于二向甚至單向應(yīng)力狀態(tài)，作用在煤壁上方垂直應(yīng)力迅速增大，破壞了煤體的完整性，在圍巖應(yīng)力和工程擾動(dòng)作用下最終導(dǎo)致煤壁片幫〔4〕。軟煤層大采高工作面采高較大，煤質(zhì)松軟，煤壁承載能力和自穩(wěn)性更差，當(dāng)煤體上方支承壓力強(qiáng)度超過(guò)煤體強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)引起煤壁表面破壞，進(jìn)而導(dǎo)致片幫現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 數(shù)值模擬研究

煤科總院學(xué)者寧宇在研究煤壁片幫機(jī)理時(shí)應(yīng)用三維數(shù)值模擬方法，模擬結(jié)果見(jiàn)圖1－a〔5〕。由圖1－a可知，工作面煤壁所受主應(yīng)力在各位置均不同，在煤壁中部所受主應(yīng)力基本垂直，上部和下部煤體主應(yīng)力分別偏向煤壁前方和采空區(qū)側(cè)；煤壁煤體所受頂?shù)装鍓毫?duì)稱(chēng)分布，所受水平外力等值反向。將圖1－a進(jìn)行簡(jiǎn)化，可將工作面煤壁表面煤體假設(shè)為上端簡(jiǎn)支、下端固支的壓桿模型，模型示意見(jiàn)圖1－b。當(dāng)對(duì)煤體壓桿模型進(jìn)行分析，壓桿彈簧剛度較大時(shí)，桿體的端部不會(huì)發(fā)生偏移；若壓桿保持平衡，則兩端存在水平反力M0x／h。取x截面的形心為中心建立力矩平衡方程，可得〔5〕：

式中：M為x截面形心彎矩，Nm；Fp為工作面煤壁所受垂直應(yīng)力，N；ω為工作面煤壁撓度，m；M0為工作面煤壁固定端力矩，Nm；h為工作面平均采高，m。

利用微積分求 Wmax，考慮到邊界條件，取x＝0.35h時(shí)Wmax＝1.37M0／Fp。由此可知，煤壁最大變形點(diǎn)位于距工作面頂板0.35倍采高處。片幫機(jī)理為：在采動(dòng)應(yīng)力影響下，工作面煤壁煤體首先發(fā)生較小的撓曲形變，隨著撓曲程度的不斷加大，煤壁煤體在距頂板0.35倍采高處首先出現(xiàn)失穩(wěn)，隨之煤體出現(xiàn)整體失穩(wěn)、破裂和冒落〔5〕。

圖1 工作面煤壁表面煤體數(shù)值模擬及壓桿模型

2.3 片幫形式

由煤樣實(shí)驗(yàn)室力學(xué)測(cè)試可知，3201工作面煤層整體表現(xiàn)較松軟，煤體強(qiáng)度在不同空間層位相差較大，但總體強(qiáng)度較低。鑒于此可知，煤體的完整性較差，其內(nèi)聚力較弱，在超前支承壓力的影響下，容易促使煤層沿破裂面產(chǎn)生滑移，造成煤體拉應(yīng)力相對(duì)增加。資料可知，煤體抗拉強(qiáng)度較低，當(dāng)所受拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)，煤體則會(huì)出現(xiàn)側(cè)向拉裂現(xiàn)象，同時(shí)受到工程擾動(dòng)、地質(zhì)構(gòu)造等多方面影響，最終導(dǎo)致煤壁出現(xiàn)多種形式片幫，3201工作面煤壁片幫形式見(jiàn)圖2。現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，隨著工作面采高的不斷增加，煤壁片幫程度逐漸加劇；在正常回采過(guò)程中，煤壁片幫多以（a）、（b）和（e）形式出現(xiàn)，分別占總片幫的54%和36%；在采煤機(jī)割煤過(guò)程中，煤機(jī)前方2m范圍內(nèi)片幫常以（c）形式出現(xiàn)，并偶而夾雜有頂板冒漏；在煤機(jī)過(guò)后，液壓支架及時(shí)伸出閉幫板后，煤壁片幫程度較弱，多以（b）、（e）的形式出現(xiàn)，分別占總片幫的47%和38%；當(dāng)工作面過(guò)地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)，煤壁片幫形式多以（d）形式出現(xiàn)；在工作面來(lái)壓期間，煤壁片幫形式較復(fù)雜，且片幫程度較嚴(yán)重，呈現(xiàn)連續(xù)性持續(xù)片幫現(xiàn)象。

圖2 3201工作面煤壁片幫形式

3 煤壁片幫控制措施

從軟煤層大采高片幫理論分析和數(shù)值模擬研究可知，大采高工作面的煤壁片幫是必然的，且采高越大、煤體越軟，煤壁片幫程度越嚴(yán)重。結(jié)合3201工作面地質(zhì)條件和物理圍巖特性，提出幾點(diǎn)控制片幫的舉措：

（1）適當(dāng)提高液壓支架初撐力，使支護(hù)阻力不僅能夠滿(mǎn)足支撐頂板作用，又要能夠緩解一部分煤壁壓力，減少煤壁所受支承壓力，確保工作面煤壁前方塑性區(qū)不會(huì)出現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)大；

（2）在采煤機(jī)割煤過(guò)后，及時(shí)打開(kāi)液壓支架閉幫板，給予煤壁一定的水平應(yīng)力，從而促使煤壁煤體由單向或者兩向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而約束煤壁片幫程度和發(fā)生率；

（3）由于3201工作面圍巖條件較差，應(yīng)適當(dāng)加快工作面回采速度，減少每一割煤循環(huán)的時(shí)間，從而可以相對(duì)的降低頂板下沉量，這樣有利于對(duì)煤壁片幫進(jìn)行控制；對(duì)綜采設(shè)備中間休息時(shí)，盡量選擇采高較低、頂板條件較好的地方停機(jī)，盡量避免片幫、冒頂傷人事故發(fā)生；

（4）當(dāng)工作面過(guò)地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)，煤壁煤體往往較破碎，這時(shí)可以利用錨桿或者化學(xué)漿液對(duì)煤壁進(jìn)行加固；

（5）理論和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，煤層注水可以有效提高煤體粘聚力和抗剪強(qiáng)度，從而達(dá)到預(yù)防煤壁片幫的目的，故可對(duì)3201工作面煤壁進(jìn)行高壓注水來(lái)預(yù)防煤壁片幫；

（6）加強(qiáng)工作面礦壓觀(guān)測(cè)，及時(shí)總結(jié)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在來(lái)壓前和來(lái)壓期間根據(jù)實(shí)際情況采用合理的手段來(lái)預(yù)防片幫。

〔1〕杜云寬，范占鋒，李學(xué)成 .淺探大采高工作面防片幫冒頂控制技術(shù)〔J〕.中州煤炭，2011，（7）：71－72.

〔2〕袁 永，屠世浩，王 瑛，等 .大采高綜采技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題與對(duì)策探討〔J〕.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，（1）：4－8.

〔3〕侯建國(guó)，白云虎，劉一博 .軟煤大采高綜采煤壁片幫機(jī)理與控制〔J〕.礦業(yè)安全與環(huán)保，2011，38（6）：22－24.

〔4〕白云虎，侯建國(guó)，劉一博 .大采高綜采煤壁片幫機(jī)理與預(yù)防〔J〕.陜西煤炭，2011，（4）：31－33.

〔5〕寧 宇 .大采高綜采煤壁片幫冒頂機(jī)理與控制技術(shù)〔J〕.煤炭學(xué)報(bào)，2009，34（1）：50－52.