上灣煤礦8.8 m綜采工作面煤壁穩定性分析

楊俊哲，史朝軍，孫紅發，李 崢

(1.神東煤炭集團公司，陜西 榆林 719315； 2.鄭州煤礦機械集團股份有限公司，河南 鄭州 450016)

在我國煤炭能源儲量中，厚煤層、特厚煤層約占煤炭總儲量的2/5，每年厚煤層產出量約占我國總產出量的1/2[1-2]。隨著我國工業化程度的不斷推進、國民經濟的快速穩步發展，國家對煤炭能源的需求量穩中有增。因此，厚、特厚煤層的開采具有很大的社會效益和經濟效益。由于大采高綜采工作面具有工藝簡單、資源回采率高、生產效率高、瓦斯涌出量少的特點，大采高開采技術已成為我國厚煤層開采的主流發展趨勢[3-7]。隨著大采高開采技術的不斷發展，煤礦綜采設備制造水平的不斷提高，采煤高度不斷突破、屢創新高，工作面單產量大幅度提高，我國的大采高開采技術已經達到世界先進水平[8-11]。隨著采煤高度的不斷突破，工作面礦壓顯現加劇、上覆巖層采動影響更加明顯，從而造成煤壁片幫現象，嚴重制約著煤礦的安全高效生產[12-13]。

上灣煤礦8.8 m綜采工作面設計最大采高8.6 m，為目前世界上采高最大的一次采全高工作面。由于工作面采煤高度由前期最高的7.0 m增大到8.6 m，工作面更容易受煤壁片幫的影響，造成頂板冒落，從而影響支架姿態，導致支架傾斜，影響工作面設備正常運行[14]，嚴重時威脅礦工人身安全。因此，分析8.8 m大采高工作面煤壁的穩定性，對實現上灣煤礦的安全高產高效生產具有重要意義[15-16]。

1 工作面概況

上灣煤礦8.8 m工作面位于四盤區，屬新開盤區。12401工作面煤層埋深88～237 m，平均埋深180 m，煤層厚度7.95～9.25 m，平均8.45 m，煤層傾角≤3°，屬穩定—較穩定煤層[16-17]，低瓦斯礦井。工作面長300 m，走向長5 200 m，資源儲量1 652.5萬t。工作面直接頂以粗粒砂巖、粉砂巖為主，兩者具有一定的懸頂距；基本頂以粉砂巖、粗粒砂巖為主，節理裂隙發育；底板以粉砂巖為主，局部泥巖。工作面東側為西一、西二盤區采空區，西側為爾林兔未開采區，南側、北側為爾林兔井田邊界[18]。

2 工作面煤壁穩定性分析

影響工作面煤壁穩定性的因素主要分為自然因素和生產技術因素。自然因素主要包括煤層賦存條件及煤質特征，即：埋深、煤厚、煤質強度、煤的節理裂隙發育程度等；生產技術因素包括工作面長度、推進速度、采煤高度、采煤截深、仰俯采角度、液壓支架支護強度、液壓支架護幫板水平推力等[19-20]。

從現有大采高綜采工作面的成功案例分析得知，采煤高度能否進一步提高主要取決于煤層賦存條件，即煤壁穩定、不發生或少發生煤壁片幫的煤層適宜采用大采高開采技術。在限定的煤層地質條件下，需要考慮生產技術因素，該因素是分析煤壁穩定性的重點和難點。

2.1 工作面煤壁穩定性自然因素分析

煤質情況對煤壁片幫的影響很大，如果煤層比較松軟，頂板稍微有壓就能把煤壁壓垮[21]，從而造成煤壁片幫。大采高工作面在開采過程中，由于采出煤量增多，采空區體積變大，需冒落更多的頂板巖石去充填，頂板壓力、煤壁壓力相應增大，從而加劇煤體裂隙發育程度，導致煤體強度降低。在塑性區內，支承壓力的增加或煤體強度的降低均會導致該區煤壁外鼓量的增加，這是產生片幫的先兆[22]。根據上灣煤礦12106綜采工作面以及周邊煤礦相同煤層、相似埋深、相似采高工作面開采時工作面頂板來壓情況以及煤壁片幫程度，可以類比出8.8 m大采高工作面開采時的煤層片幫情況。上灣煤礦12106綜采工作面設計采高6.8 m，實際采高允許偏差為±100 mm，根據現場情況可沿頂、沿底回采；根據現場回采實測，該工作面的周期來壓步距平均13.96 m。在回采過程中，沒有發生其他頂板事故，平時很少片幫，工作面中上部煤壁片幫值最大400～500 mm。大柳塔煤礦52303綜采工作面設計采高6.8 m，實際采高允許偏差±100 mm，根據現場回采實測，該工作面的周期來壓步距平均21 m，周期來壓時持續長度0.8～6.8 m，平均2.4 m。工作面周期來壓期間均伴有煤壁片幫、炸幫，端面局部存在漏矸現象，而工作面兩巷超前支護段無明顯片幫現象。紅柳林煤礦15205工作面受煤層厚度限制，目前實際采高6.5 m左右，超前壓力顯現較緩和，工作面煤壁完整性好，采煤機割過后，煤壁完好，基本不發生片幫。生產期間，三級護幫板均收起，僅采用二級護幫，檢修期間三級護幫全部使用。

綜上，該煤層賦存條件較好，煤壁較為穩定，可以通過控制生產技術因素來保證工作面煤壁的穩定性，將煤壁片幫情況對回采的影響控制在較小的范圍內。

2.2 工作面煤壁穩定性生產技術因素分析

2.2.1 基于煤壁穩定性軟件的護幫高度分析

根據煤壁失穩機理，采用分析軟件模擬受力狀態，如圖1所示?？芍诓筛邽?.6 m狀態時，煤壁能夠保持穩定的高度為4.93 m；容易片幫的區域為從頂板向下3.01 m內。因此，液壓支架設計的護幫板必須護住的區域3.67 m，護幫設計高度應大于3.67 m。

圖1 煤壁穩定性分析示意

2.2.2 模擬分析不同采煤高度下的煤壁穩定性

為了分析上灣煤礦四盤區煤層不同采煤高度下的煤壁穩定性，對不同采煤高度下的開采情況進行FLAC3D數值模擬，模擬采用的支護強度為1.3MPa，分別監測距離底板1～8 m位置處的煤壁水平、垂直位移，得出了不同采煤高度下煤壁的最大水平、垂直位移，最終獲得總位移，見表1。

表1 采高與煤壁總位移數據

通過分析得出：在同一采煤高度下，距離底板越高的煤壁處位移量越大，符合現場片幫多發生在中上部的客觀規律；在不同采煤高度下，采煤高度越大，距離底板越高的煤壁處位移量越大。由于采煤高度增大后，煤壁片幫中滑落片幫較多，因此煤壁垂直方向位移更加重要，分析得出：垂直方向位移隨采高增大呈現逐漸增大趨勢，各采煤高度下，距離底板越高的煤壁點，其位移量越大。結合現場實際回采情況，采煤高度6.8 m時，現場煤壁片幫情況較少，為進一步分析合理的護幫范圍，重點分析6、7、8、8.8 m采高時的水平位移和垂直位移(圖2—圖5)。

圖2 采煤高度6 m時水平及垂直位移

圖3 采煤高度7 m時水平及垂直位移

圖4 采煤高度8 m時水平及垂直位移

圖5 采煤高度8.8 m時水平及垂直位移

從圖2—圖5中可見，當采煤高度為7 m時，煤壁從上往下3.0～3.5 m處位移量較大，護幫范圍需要達到3.5 m；當采煤高度為8.8 m時，煤壁從上往下4.5～5.0 m處位移量較大，護幫范圍需要達到5 m。

根據上述分析，為了保證煤壁穩定性，有效防止片幫現象的發生，需在合理選擇支架支護強度的前提下，盡量保證液壓支架護幫范圍達到5 m，以適應8.8 m超大采高工作面的護壁要求。

3 結論

上灣煤礦8.8 m工作面是目前世界上第一大采高工作面，煤壁的穩定性對工作面高產高效生產有著極其重要的影響。煤壁的穩定需要液壓支架提供足夠護幫力作為支撐，需在液壓支架支護強度滿足需求的基礎上，盡量保證液壓支架護幫范圍達到5 m以確保生產安全有序的進行。