大采高工作面煤壁片幫機理與控制措施

王海洋

(山西中鋼煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033400)

0 引言

隨著我國科技水平的提高，礦井機械化水平以及設備能力有了很大的提升，對于一些厚煤層，大采高一次采全高開采方式在許多礦井開始普及，工作面開采高度也在不斷增大，礦井經濟效益與開采效率有了巨大的提升[1-2]。隨著工作面采高的增大，煤層開采后頂板垮落所需充填的空間增大，導致頂板垮落高度有一定增加，頂板下沉回轉將會產生載荷并作用于煤體上，當載荷超過煤體自身的承載極限時，煤體將被破壞，形成煤壁的片幫現象[3-5]。雖然大采高工作面對礦井的生產效率有很大的提升，但在實際開采過程中，工作面煤壁的穩(wěn)定性較差，煤壁破損情況比較嚴重，對工作面的安全、高效生產產生很大的影響[6-8]。針對大采高工作面煤壁片幫嚴重的問題，以山西斜溝煤礦大采高工作面地質條件為背景，對煤壁片幫機理進行分析，并提出了煤壁控制技術，以保證工作面的生產效率。

1 礦井概況及煤壁片幫機理分析

1.1 礦井概況

山西斜溝煤礦生產能力為1 000萬t，主采煤層為5-2煤，煤層的厚度平均為6.5 m，煤層傾角較小，平均為3°。煤層的埋深平均為150 m，煤層的頂底板情況如圖1所示，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。85201工作面開采高度為6.6 m，工作面傾斜長度為280 m，在工作面開采范圍內無大型構造存在，地質條件比較簡單。根據對工作面煤體的物理力學試驗，煤體抗壓強度為19.3 MPa，屬于中硬煤層。工作面頂底板情況如圖1所示。

圖1 工作面頂底板柱狀圖

1.2 煤壁片幫機理分析

片幫現象出現的原因及分析：工作面在開采的過程中，會改變周圍巖體的應力狀態(tài)，當平衡后巖體承受的應力超過其極限抗壓強度，巖體將發(fā)生破壞。煤壁開采過程中，隨著頂板懸露長度的增加，煤體承受的壓力也在逐漸增大，導致片幫現象出現[9-10]。對工作面煤壁進行受力分析，煤體主要承受頂板的集中應力及頂板與煤層之間的摩擦力Ff，一般煤壁片幫按煤體承受的集中應力與Ff的大小關系主要分為以下兩種情況。

煤體承受的集中應力大于Ff時：若將煤壁視為一端為固定支撐、另一端為懸臂的梁體結構，該梁體結構模型如圖2所示，其中p為頂板對煤壁的壓力，M為彎矩。煤壁撓度的最大位置在頂板與煤壁相接觸點，為

(1)

式中：q—均布載荷，kN/m；h—煤壁受力的高度，m；E—煤體的彈性模量，kN/m2；I—煤體的慣性矩，m4。

煤體承受的集中應力小于Ff時：若將煤壁視為一端為固定支撐、另一端為簡支的梁體結構，該梁體結構模型如圖3所示。則煤壁撓度的最大位置在煤體的中部，為

(2)

85201工作面煤壁片幫情況：根據對85201工作面推進過程中煤壁片幫情況的統(tǒng)計，煤壁片幫主要在兩個位置，分別為煤壁的最高點與煤壁高度為3.5 m處，這與理論分析基本吻合。當煤壁最高點出現片幫時，片幫深度平均為0.6 m，當煤壁中部出現片幫時，片幫深度平均為0.55 m。

圖2 第一種受力模型

圖3 第二種受力模型

2 煤壁片幫機理及控制措施

2.1 煤壁片幫機理

為進一步分析煤壁片幫的機理與影響因素，采用UDEC數值模擬軟件對大采高工作面煤壁的破壞過程進行分析。模型建立準則選為庫倫-摩爾模型，模型頂面施加載荷來模擬上覆巖層重量，模型的兩側分別設為位移與速度邊界，底面為固定面。本次模擬主要分析煤層在不同采高、推進速度以及支護強度下的破壞情況。

采高的影響：圖4展現了工作面的采高分別為4 m、5 m、6 m下煤壁內應力分布情況。從圖中可以看出，在工作面推進的過程中，在煤壁超前區(qū)域會出現應力集中情況，形成支承壓力峰值，并且在支承壓力的作用下，煤壁表面出現一定程度的破壞。從圖4中可以看到，在不同的采高下，煤壁前方的超前支承壓力峰值并不相同，當工作面采高分別為4 m、5 m、6 m時，煤壁內應力峰值分別為10.3 MPa、13.5 MPa、15.6 MPa，表明隨著工作面采高的增大，煤體承受的應力在逐步增大。從片幫情況可以看出，采高的增大，工作面煤壁的片幫情況也在加劇。

支護強度的影響：圖5為工作面采高相同時煤壁在不同的支護條件下的位移矢量圖。從圖中可以看出，工作面煤壁在不同的支護強度下，煤壁片幫情況也有著一定的差異。當支護強度為1 MPa時，煤壁外擴距離較大，在支護強度提高后，煤壁外擴距離明顯減小，煤壁的穩(wěn)定性也有了較大的提高。根據數值模擬結果，增大工作面煤壁的支護強度可減小煤壁的破壞情況，減少片幫現象的出現。因此優(yōu)化工作面煤壁的支護控制措施，可在一定程度上減少煤壁片幫情況。

圖4 不同采高下煤壁內應力分布情況

圖5 不同支護強度下煤壁破壞情況

工作面推進速度的影響：數值模擬軟件中，工作面的推進速度主要根據模型運算步數來決定，圖6為工作面在不同推進速度下的煤壁片幫情況圖。從圖中可以看出，不同的工作面推進速度下，煤壁的片幫深度和片幫面積有著較大的變化。當工作面推進速度自3.6 m/d增大到6.0 m/d時，煤壁片幫的深度與面積均在減小，并且變化范圍加大，當工作面推進速度大于6.0 m/d后，煤壁片幫深度與片幫面積基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。這是由于工作面推進速度的增大，受頂板載荷作用的煤體范圍出現一定的變化，工作面推進速度越大，受頂板載荷作用的煤體體積越小，煤壁片幫現象便可減輕。因此根據工作面情況可適當提高工作面的推進速度，有利于減少片幫現象的出現。

圖6 不同推進速度下煤壁片幫情況

2.2 煤壁控制措施

控制采高及支架調整：由于采高增大容易導致煤壁承受壓力增大，因此工作面在推進過程中需控制開采高度。對整個工作面開采范圍的煤層高度進行統(tǒng)計，提前預判采高的變化，當工作面推進到采高變化較大的位置時，要及時調整支架的高度，對頂板進行及時支撐。若推進至煤層采高較大區(qū)域的時候，支架可以不進行升架，在頂板留有一定高度的浮煤，保證工作面平穩(wěn)通過。

增大煤壁支護強度：增大煤壁支護強度可以減小煤壁的片幫情況，根據數值模擬結果，當工作面支護強度為2 MPa時，煤壁位移較小。工作面推進過程中，支架擋板要及時升起，保護煤壁的整體性。由于增大支架的支撐力后，會減小頂板載荷對煤體的作用，因此提高支架的工作阻力也可改善工作面煤壁情況，提高工作面的穩(wěn)定性。

調整工作面推進速度：數值模擬結果表明，當工作面推進速度小于6.0 m/d的時候，煤壁片幫情況變化較大，煤壁片幫程度隨著推進速度的增大而逐漸減小；當工作面推進速度大于6.0 m/d時，煤壁片幫深度與面積變化程度減小，此時再繼續(xù)增大推進速度，煤壁片幫情況并不會有太好的改善。根據此結果，將工作面的推進速度調整為6.0 m/d，從而減弱煤壁片幫情況，同時可提高工作面的推進效率。

其他措施：除了上述煤壁片幫控制方法外，要加強對工作面的礦壓顯現特征進行監(jiān)測，及時對工作面出現來壓的時間進行預測，當工作面處于來壓狀態(tài)時，提高支架的支撐力并且提高對煤壁的保護能力。當工作面經過斷層、陷落柱等構造發(fā)育地帶時，采取注漿的方法對煤壁巖體進行加固，提高煤壁整體的強度，注漿材料可選為黏土水泥漿等。

實踐監(jiān)測：在煤壁控制措施確定后在85201工作面現場進行了實踐，并對工作面推進過程中煤壁的片幫情況進行了監(jiān)測。根據監(jiān)測結果，在工作面整個范圍內，煤壁片幫情況有較大改善，工作面推進過程中僅在局部位置出現片幫情況，且片幫的面積和深度均較小，表明該控制措施能夠提升煤壁穩(wěn)定性。煤壁片幫情況改善后，工作面的推進效率有了較大的提升，整個礦井的經濟效益也有較大提升。

3 結論

(1)采用理論分析方法對工作面煤壁片幫機理進行了研究，通過分析煤體的受力情況，對兩種煤壁片幫的方式進行了分析，從而得到大采高工作面煤壁片幫特征。根據對現場工作面片幫情況的監(jiān)測記錄，煤壁片幫主要的兩個位置分別為煤壁的最高點與煤壁高度為3.5 m位置處，這與理論分析結果基本一致，表明理論分析結果較為準確。

(2)通過數值模擬方法，對工作面在不同的開采高度、支護強度以及推進速度下煤壁的片幫情況進行了分析，針對性地在工作面采高、推進速度與煤壁支護強度等方面提出了大采高工作面煤壁片幫控制措施。根據現場宏觀監(jiān)測結果，在采用該煤壁控制措施后煤壁片幫情況有了較大改善，表明該措施能夠有效提升工作面煤壁的穩(wěn)定性。