華潤(rùn)煤業(yè)205工作面煤壁片幫治理技術(shù)

張 新

（山西潞安工程勘察設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046200）

在對(duì)煤炭資源進(jìn)行回采時(shí)煤層賦存條件易受到斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的影響［1-2］，同時(shí)煤層埋深加深、煤層傾角起伏加大，同一井田中的煤層物理力學(xué)性質(zhì)也存在著較大的差異［3-4］。在這些因素的共同作用下，勢(shì)必會(huì)給礦井的安全高效開采帶來(lái)較大的影響［5］。在采深一定的情況下，研究工作面長(zhǎng)度和煤層傾角對(duì)煤壁片幫的影響，并在此基礎(chǔ)上采取有效的控制措施對(duì)于保障礦井的安全高效開采和提高礦井回采率有著重要的意義［6-7］。

華潤(rùn)煤業(yè)205工作面長(zhǎng)度較長(zhǎng)，煤層傾角變化較大，回采期間煤壁片幫次數(shù)較多。為此，本文試圖探究工作面長(zhǎng)度和煤層傾角對(duì)煤壁片幫的影響，并提出有效的技術(shù)控制措施。

1 工程概況

205工作面位于華潤(rùn)煤業(yè)井田東部，埋深為500 m，所采煤層主要為3#煤層，該煤層內(nèi)生裂隙發(fā)育、性脆易碎，煤巖組分主要以亮煤為主并夾有鏡煤條帶和少量的暗煤，煤層厚度2.8～4 m，平均煤厚3.5 m，煤層傾角1°～12°。工作面沿煤層傾向布置，沿煤層走向推進(jìn)，其中沿傾向布置長(zhǎng)度為250 m，沿走向推進(jìn)長(zhǎng)度為1513 m。205工作面采用單一走向長(zhǎng)壁采煤法，后退式綜合機(jī)械化采煤工藝，一次采全高，全部垮落法處理采空區(qū)。工作面所使用的采煤機(jī)型號(hào)為MG300/730-WD，割煤方式為雙向割煤，平均采高3.5 m，截深0.6 m。工作面端頭采用6 架ZZG6800/19/38型過(guò)渡支架配合單體柱支護(hù)，工作面頂板用94架ZZ6800/19/38型液壓支架支護(hù)。在205工作面回采期間，煤壁片幫事故頻發(fā)，嚴(yán)重制約著礦井的安全高效開采。

2 巷道圍巖原位實(shí)測(cè)

為了分析205工作面煤壁片幫事故頻發(fā)的原因，本文采用了實(shí)驗(yàn)室力學(xué)實(shí)驗(yàn)、理論計(jì)算、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

2.1 工作面頂?shù)装鍑鷰r力學(xué)參數(shù)測(cè)試

為了探究工作面煤壁片幫的原因，需要對(duì)工作面頂?shù)装宓膰鷰r賦存狀況以及各層圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)做一個(gè)詳細(xì)的了解。首先，在頂?shù)装暹x取合適的位置進(jìn)行打鉆取芯，之后將所取巖芯做進(jìn)一步加工后將其密封并帶回實(shí)驗(yàn)室，采用電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)各巖層的巖樣進(jìn)行物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試見(jiàn)圖1。

圖1 頂?shù)装鍑鷰r強(qiáng)度測(cè)試

將各巖層的賦存狀況及物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 巷道頂?shù)装鍑鷰r賦存狀況及力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

由表1可知3#煤層平均厚度為3.5 m，直接頂為3.7 m的泥巖和3.2 m的粗砂巖，老頂為5.4 m的砂質(zhì)泥巖和8.6 m的粉砂巖。直接底為泥巖，該泥巖厚度較大，達(dá)到了6.5 m。由各巖層的物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果可知，3#煤抗壓強(qiáng)度較低，直接頂泥巖的強(qiáng)度僅為12.4 MPa，低于同類巖層，泥巖之上的粗砂巖強(qiáng)度有所提高，砂質(zhì)泥巖的圍巖完整性較好。

2.2 工作面液壓支架初撐力驗(yàn)證

由2.1節(jié)中可以看出煤層直接頂為泥巖，該巖層強(qiáng)度較低，在采動(dòng)影響下容易出現(xiàn)垮落，頂板巖層垮落過(guò)程中若發(fā)生過(guò)度回轉(zhuǎn)，則煤壁將承受著較強(qiáng)的頂板壓力，從而誘發(fā)煤壁片幫事故的發(fā)生。因此，對(duì)頂板的有效管理對(duì)于保持工作面煤壁的穩(wěn)定性具有直接影響。

（1）液壓支架初撐力計(jì)算

式中：P2為工作面頂板支護(hù)需要支架的工作阻力，kN；n為動(dòng)載系數(shù)1.5～2.0，周期來(lái)壓時(shí)取大值，周期來(lái)壓不明顯時(shí)取小值，這里取1.5；∑h為采空區(qū)頂板跨落高度，∑h=M/（K-1）；M為工作面采高，取3.5 m；K為巖石碎賬系數(shù)，取1.35。

∑h=3.5/（1.35-1）=10 m

式中：r為頂板巖石容重，根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)勘探資料將該值取為2.73 t/m3；s為支架最大控頂距時(shí)支護(hù)面積，取7.8 m2；g為重力加速度，約9.8 N/kg；a為煤層傾角，取平均值5°。

將上述 參數(shù)代入式（1）中，則P2=（1.5+1）×10×2.73×7.8×9.8×cos7°=5178 kN，即工作面液壓支架的初撐力需達(dá)到5178 kN才能滿足正常的工作要求。

（2）液壓支架初撐力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為了驗(yàn)證工作面液壓支架初撐力的設(shè)定是否合理，對(duì)工作面94架ZZ6800/19/38型液壓支架的初撐力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 工作面液壓支架初撐力分布柱狀

從圖2中可以看出工作面 94架液壓支架的初撐力主要分布在4500～5000 kN之間，初撐力處于該范圍內(nèi)的液壓支架達(dá)到了72架，占到了總架數(shù)的76.6%，初撐力處于5000～5500 kN范圍內(nèi)的液壓支架為13架，處于5500～6000 kN范圍內(nèi)的液壓支架最少，僅有9架，占到了總架數(shù)的9.6%。

根據(jù)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果可知205工作面液壓支架的初撐力整體偏小，不能對(duì)頂板進(jìn)行有效地支撐，導(dǎo)致煤壁承受著較強(qiáng)的頂板壓力。

3 工作面傾向長(zhǎng)度、傾角對(duì)煤壁穩(wěn)定性的影響

若工作面沿傾向布置長(zhǎng)度較長(zhǎng)、煤層傾角過(guò)大，必然會(huì)對(duì)工作面煤壁的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，為了研究工作面傾向長(zhǎng)度、傾角對(duì)于煤壁穩(wěn)定性的影響規(guī)律，本文以205工作面為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)其進(jìn)行分析。所建模型的幾何尺寸為300 m×300 m×165 m，共劃分網(wǎng)格單元138756個(gè)，由于模擬深度為500 m，故在模型上部邊界施加12.5 MPa的垂直應(yīng)力，側(cè)應(yīng)力系數(shù)取為1.2，依據(jù)205工作面液壓支架的型號(hào)及其參數(shù)，在工作面控頂區(qū)范圍內(nèi)施加垂直于頂板1 MPa的應(yīng)力。

3.1 工作面傾向長(zhǎng)度對(duì)煤壁穩(wěn)定性的影響

由于煤壁塑性區(qū)的分布范圍對(duì)于煤壁片幫具有直接影響，且205工作面沿傾向的實(shí)際布置長(zhǎng)度為250 m，為了探究工作面傾向長(zhǎng)度對(duì)煤壁穩(wěn)定性的影響，在數(shù)值計(jì)算中著重對(duì)工作面沿傾向布置長(zhǎng)度150 m、250 m、350 m條件下，煤壁塑性區(qū)的分布范圍進(jìn)行數(shù)值分析，其分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 在不同工作面長(zhǎng)度下采場(chǎng)圍巖塑性區(qū)分布

從圖3中可以看出，工作面沿傾向的布置長(zhǎng)度對(duì)工作面圍巖的塑性區(qū)分布具有一定的影響，工作面長(zhǎng)度為150 m時(shí)，采場(chǎng)圍巖塑性區(qū)分布范圍較小，其中煤壁前方圍巖的塑性區(qū)面積為11.3 m2，塑性區(qū)深度為3.1 m。當(dāng)工作面長(zhǎng)度為250 m時(shí)，煤壁前方的塑性區(qū)面積為12.4 m2，塑性區(qū)深度為3.7 m，與150 m條件下相比，分別僅增長(zhǎng)了9.7%和16.2%。當(dāng)工作面長(zhǎng)度為350 m時(shí)，采場(chǎng)圍巖塑性區(qū)分布范圍增加明顯，煤壁前方圍巖塑性區(qū)的面積和深度分別達(dá)到了14.5 m2和4.7 m，與150 m條件下相比，塑性區(qū)面積和深度分別增加了28.3%和51.6%。由此可知，150 m條件下和250 m條件下煤壁前方圍巖塑性區(qū)分布范圍相近，為了提高生產(chǎn)效率，205工作面傾向長(zhǎng)度布置為250 m較為合理。

3.2 工作面傾角對(duì)煤壁穩(wěn)定性的影響

由于205工作面煤層傾角變化較大，為分析工作面傾角對(duì)于煤壁穩(wěn)定性的影響，本文著重研究工作面傾向長(zhǎng)度為250 m，工作面傾角分別為0°、6°和12°時(shí)的煤壁塑性區(qū)分布規(guī)律，其數(shù)值分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 工作面在不同傾角下采場(chǎng)圍巖塑性區(qū)分布

從4圖中可以看出，當(dāng)工作面傾角為0°時(shí)，煤壁前方圍巖塑性區(qū)分布面積為12.4 m2，深度為3.7 m，當(dāng)工作面傾角由0°增加至6°時(shí)，煤壁前方圍巖塑性區(qū)分布面積為13.3 m2，深度為4 m。當(dāng)工作面傾角繼續(xù)增加至12°時(shí)，采場(chǎng)圍巖的塑性區(qū)分布范圍增加明顯，其中煤壁前方的塑性區(qū)深度增加至5.2 m，分布面積則達(dá)到了16 m2。工作面傾角為6°和12°時(shí)煤壁前方圍巖塑性區(qū)的分布面積和深度與工作面傾角為0°時(shí)相比分別增加了7.1%、29%和8.1%、40.5%，由此可見(jiàn)工作面煤壁前方的塑性區(qū)分布范圍會(huì)隨著工作面傾角的增大而增加。

4 煤壁片幫治理措施

通過(guò)上述分析可知，工作面傾角的大小、煤層直接頂?shù)膸r石力學(xué)性質(zhì)以及工作面液壓支架的初撐力大小是影響工作面煤壁片幫的主要原因。鑒于此，本文提出以下控制措施：

（1）將液壓支架初撐力統(tǒng)一提高至5200 kN。

（2）當(dāng)工作面仰采角度大于10°時(shí)，在煤壁距頂板1.5 m處加打6.4 m的傾斜錨索用以維護(hù)煤壁穩(wěn)定性。

（3）若工作面回采至煤層較為破碎的區(qū)域，對(duì)煤壁進(jìn)行超前注漿，注漿材料選用馬麗散。

5 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

205工作面通過(guò)所提出的治理措施進(jìn)行治理后，對(duì)其煤壁片幫次數(shù)進(jìn)行了為期30天的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 工作面煤壁片幫觀測(cè)結(jié)果

從圖中可以看出工作面在治理前的一個(gè)月里，煤壁片幫事件共發(fā)生了86起，對(duì)工作面優(yōu)化管理后，在一個(gè)月的觀測(cè)時(shí)間里，片幫事件僅發(fā)生了12起，與優(yōu)化前相比減少了86%，煤壁穩(wěn)定性得到了較好的控制。

6 結(jié)語(yǔ)

1）研究結(jié)果表明，煤層、直接頂巖層強(qiáng)度較低，液壓支架初撐力不足以及工作面傾角變化較大是造成205工作面煤壁片幫事故頻發(fā)的主要原因。

2）液壓支架初撐力增加至5200 kN，且當(dāng)煤層傾角較大、煤質(zhì)較破碎時(shí)，對(duì)煤壁采取增打錨索和超前注漿的聯(lián)合控制措施對(duì)工作面頂板進(jìn)行綜合管理，可以有效減少煤壁片幫事故的發(fā)生。