復雜條件下回采工作面煤壁失穩機理與控制技術研究

張 釗

（山西平舒煤業有限公司 ，山西 壽陽 045400）

0 引 言

隨著我國煤炭資源的不斷開采，賦存條件好的煤層不斷減少，煤層開采的地質條件越來越復雜，工作面經常出現起伏不平的狀況，也就是仰斜開采和俯斜開采。目前國內外學者對俯仰斜開采展開研究：馬文頂,劉長友等[1]認為仰斜開采的仰斜角越大，頂板水平位移量越大，初撐力越小，頂板越容易斷裂失穩，必須提高支架的初撐力，才能保證煤壁頂板的穩定性；周健等[2]認為俯仰斜開采時煤壁有三種破壞形式，巖塊破壞、結構面破壞、兩者同時破壞，以及仰斜開采易使煤壁失穩，俯斜開采易保持煤壁穩定性。本文主要針對8102工作面的煤壁片幫的具體情況，對俯仰采工作面煤壁失穩機理進行分析研究，確定煤壁穩定性控制措施，為相似工程情況提參考和指導作用。

1 工程概況

某礦8102工作面，位于-600m水平北一采區，工作面傾斜長度為156.5m，走向長度為623.8m，主采8#煤層，煤層均厚4.1m，直接頂為泥巖，均厚7.46m；基本頂為厚細砂巖，均厚4.8m；直接底為泥巖，均厚6.58m；老底為細砂巖，均厚3.24m，屬軟弱煤層，煤層平均傾角5°。由于煤層松軟，節理裂隙較發育，工作面起伏不平，局部片幫深度超過1.8m，嚴重影響生產安全，急需采取有效措施控制煤壁失穩。

2 煤壁失穩機理

根據現有研究成果，工作面煤壁失穩破壞及工作面超前支承壓力的分布特征，受開采角度和推進方向影響較大[3]。工作面煤壁至超前支撐壓力峰值點的距離和其峰值的大小，使不同角度工作面煤壁前方支撐力產生差異。

圖1 水平工作面與俯仰斜工作面的支承壓力分布特點

圖1 為其他開采條件相同時，俯仰斜工作面及水平工作面煤壁支承壓力的分布情況。圖中，γ為上覆巖層平均容重，kN·m-3；α為俯仰斜角度，°；M為工作面采高，m；H 為工作面埋深，m；k1、k2、k3為支承壓力集中系數。

假設在水平工作面中，煤壁至超前支承壓力峰值點的距離為l0。計算可得，俯仰斜工作面煤壁至超前支承壓力峰值點的距離l1、l2分別為[4]：

由圖1及式（1）可知：①煤壁超前支承壓力峰值點至煤壁的距離大小順序為：俯斜開采＞水平開采＞仰斜開采；②俯斜開采時，峰值點朝著煤體側內移，且α角越大，內移越明顯；仰斜開采時，峰值點朝著煤體采空側外移，且α角越大，外移越明顯。超前支承壓力峰值點的外移加劇煤壁的失穩破壞，內移有助于煤壁的穩定；③俯采段煤壁未發生明顯片幫現象，穩定性較好；仰采段易發生片幫現象，穩定性較差。綜上，通過俯仰斜工作面支撐壓力特點，分析了煤壁失穩機理，為復雜條件下回采工作面煤壁穩定性的控制技術提供了理論依據。

3 工作面煤壁穩定性控制及效果

3.1 煤壁支承壓力分布特點

根據8102工作面實際情況，運用UDEC數值模擬軟件對不同角度煤層上方支撐力進行計算，選取煤層傾角為0°、±15°、±30°時煤壁上方支承壓力進行對比研究分析，得到不同開采角度下支承壓力峰值距工作面煤壁距離變化曲線，如圖2所示。

圖2 不同開采角度下支承壓力峰值距工作面煤壁距離變化曲線

從圖中可以看出：當工作面傾斜角度由-30°變化到30°（即由仰采變化到俯采）時，支承壓力峰值位置逐漸遠離工作面煤壁。也就是說，仰采時工作面支承壓力峰值位置向采空區外移，易使煤壁發生片幫，且仰斜角度越大，煤壁越容易失穩；俯采時工作面支承壓力峰值位置向煤體側內移，煤壁穩定性較好。所以，盡量避免大角度仰斜開采，宜采用俯斜開采。

3.2 支承壓力影響范圍實測

煤壁穩定性與工作面超前支承壓力密切相關，可以通過巷道表面位移來反應工作面超前支承壓力分布規律。由此對8102工作面運輸巷和回風巷表面位移進行監測，并對運輸巷結果進行出圖分析，如圖3所示。

圖3 運輸巷表面位移觀測結果

由監測結果可知，運輸巷和回風巷曲線變化規律相近，對兩巷累積表面位移規律進歸納后，可分為三個階段：劇烈期、過渡期、平緩期。在對位移觀測結果進行分析時，考慮到巷道存在一定范圍的自變形，所以20mm內的變形量不計入支承力影響范圍內。9～27m內：劇烈期，工作面超前支承壓力對此區域影響較大；4～7m內：過渡區，此區域為平緩期到劇烈期的過渡區；68～90m內：平緩期，工作面超前支承壓力對此區域影響較小。通過對8102運輸巷和回風巷表面位移的觀測，確定了超前支承壓力的影響較大區域為 9～27m。

3.3 工作面支架初撐力分析

現場觀測后，初步認為8102工作面嚴重片幫的主要原因是支架的初撐力不足[5]。因此，對8102工作面內49#～130#液壓支架初撐力持續監測49天，并將得到的數據進行整理分析，繪出相應的頻率直方圖如圖4所示。

1）由圖3可知，支架初撐力主要分布范圍在15～30MPa，20MPa以上的占50.9%，而30MPa以上的僅占0.2%。該礦設計要求的合理初撐力為24MPa，實際工作面初撐力達到該值的僅占總量的20%左右，遠達不到設計要求，導致工作面頂板下沉量大，片幫嚴重。

圖4 支架初撐力統計直方圖

2）在監測的液壓支架范圍中，45#和50#上部支架初撐力數值較小，且分布較均勻。初撐力在20 MPa以上的占36.8%，而25 MPa以上的僅占18.4%，上部煤壁片幫深度達0.6 m～1.5 m，片幫明顯；下部初撐力在20 MPa以上的占54.7%，而25 MPa以上的也僅占19.5%。對比可知，支架下部初撐力偏大，導致煤壁片幫數量較少，但是仍存在一定數量的片幫，支架初撐力有待改進。

3.4 煤壁穩定性控制措施

針對8102工作面煤壁失穩狀況，結合上述理論分析，對工作面采取的控制方法如下：

1）支架控制措施。改善支架初撐力，保證支架的初撐力＞20 MPa，同時加大對支架質量的監測力度，確保支架結構對煤壁提供足夠的初撐力。

2）盡量避免大角度仰采。仰采時工作面前方煤體頂板巖層支撐力指向采空區，易使煤壁發生片幫，且仰斜角度越大，煤壁越容易失穩。

3）煤壁采取提前松幫措施。當有大塊煤體滑落，煤壁片幫嚴重時，需對煤壁采取提前松幫措施，當采煤機割到煤層節理發育等容易發生片幫的地方，應提前往返收合幾下支架護幫板，讓軟弱煤壁提前片下，防止因大面積片幫而引起的機械損壞和人員傷亡。

4）對煤體采取超前注漿措施。8102工作面煤層較松軟，可針對松散破碎煤體及薄弱位置采取超前注漿加固措施，提高煤壁穩定性。

5）分區段控制措施。由第2章煤壁失穩機理，仰采段易發生片幫現象，穩定性較差；俯采段煤壁未發生明顯片幫現象，穩定性較好。因此，針對仰采階段煤壁失穩情況，可對煤體采用木錨桿、玻璃鋼對煤壁的上部等軟弱位置進行加強支護；也可采取超前注漿加固措施。

6）加強礦壓監測預報。不僅對煤壁礦壓進行實時監測，也要對工作面頂板礦壓持續監測，從而對工作面頂板來壓進行預測，及時采取防范措施，如確保支架穩定性、適當降低采高等，保障工作面煤壁的穩定性。

3.5 加固煤壁效果分析

通過對8102工作面煤壁采取上述穩定性控制措施方案后，提升了煤壁的整體穩定性，根據現場觀測知，加固后的工作面煤壁在回采推進時，基本無煤壁片幫現象的出現，工作面回采期間煤壁的破壞得到了有效的控制。

4 結 論

針對8102工作面回采期間出現的煤壁片幫現象，首先分析了俯仰開采的支撐壓力特點，得出了煤壁失穩機理，然后通過UDEC數值模擬軟件對不同角度的支撐力分布特征進行模擬，并結合現場實測確定超前支承壓力影響范圍及液壓支架初撐力的大小，再根據工作面實際情況對煤壁控制措施進行具體設計。在對8102工作面采取穩定性控制措施方案后，工作面回采期間基本無片幫現象出現，有效提高了煤壁穩定性。