三軟厚煤層綜放工作面煤壁片幫防治研究

李海波

（國網(wǎng)能源和豐煤電有限公司沙吉海煤礦，新疆 塔城 834400）

0 引 言

在煤炭資源開采過程中，厚度超過3.5 m 的煤層一般采用綜放開采，但隨著采高增加，煤壁片幫的現(xiàn)象變得十分突出，對工作面礦壓防治造成極大的困擾，尤其是在三軟厚煤層綜放工作面中，煤層物理力學(xué)性質(zhì)較為軟弱，工作面礦壓顯現(xiàn)更加劇烈，工作面會頻繁出現(xiàn)煤壁大面積片幫的問題，嚴(yán)重威脅現(xiàn)場施工人員安全。

針對綜放工作面片幫機(jī)理與防治對策，張金虎[1]分析了煤壁穩(wěn)定性的影響因素，提出通過增強(qiáng)支架工作能力、增大護(hù)幫防護(hù)面積和護(hù)幫力、提升供液速度的多維防護(hù)措施；楊勝利[2-3]等分析了煤壁變形特征和柔性加固機(jī)理，設(shè)計(jì)了柔性材料拉拔實(shí)驗(yàn)和柔性材料加固煤樣強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，研究了不同直徑棕繩煤樣的變形和強(qiáng)度特征；李振華等[4-5]總結(jié)并分析了回采過程中煤壁片幫的基本特征，提出了“煤層注水、適當(dāng)減緩工作面推進(jìn)速度、提高液壓支架工作阻力”的片幫綜合治理方案；李立、付永剛等[6-7]通過建立煤壁片幫模型，分析了工作面煤壁片幫力學(xué)機(jī)制，研究了傾角、采高與片幫臨界力對片幫的影響；王兆會[8-9]等采用室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析及現(xiàn)場實(shí)測綜合手段對硬煤煤壁破壞形式、發(fā)生機(jī)理及影響因素進(jìn)行分析；伍永平[10-11]通過建立傾向煤壁巖梁力學(xué)模型，揭示了不同因素對煤壁片幫的影響機(jī)制。

諸多學(xué)者從不同方面研究了綜放工作面片幫機(jī)理，并提出具有工程借鑒意義的防治對策。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以沙吉海煤礦B1003W03 綜放工作面為工程背景，基于理論分析揭示了綜放工作面片幫冒頂機(jī)理，提出了影響工作面煤壁片幫的重要因素，形成了針對性的工作面片幫防治對策。

1 概 況

沙吉海煤礦主采B10 煤層，埋深250 m 左右，煤層平均厚度5.68 m，可采5.38 m，厚度變化較大，其內(nèi)部含夾矸，夾矸厚度均在1.0 m 以上。

工作面采用綜采放頂煤采煤方法，煤層頂板復(fù)合特征明顯，其巖層結(jié)構(gòu)主要由泥巖和砂質(zhì)泥巖組成，煤層及頂板的整體強(qiáng)度較低，屬于典型的三軟煤層，圖1 為B10 煤層頂板巖層結(jié)構(gòu)窺視探測結(jié)果。

圖1 B10 煤層頂板巖層結(jié)構(gòu)窺視探測結(jié)果Fig.1 Roof peep results of No.B10 Coal Seam

B10 煤層的層理發(fā)育特征不明顯，但在垂直方向上裂隙及縱向節(jié)理較為發(fā)育，同時(shí)煤體的單軸抗拉強(qiáng)度極低，僅為0.49～0.71 MPa，且工作面回采過程中由于受到劇烈采動影響，煤體易發(fā)生拉裂破壞，從而產(chǎn)生煤壁片幫現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了工作面的安全有序推進(jìn)。

2 綜放工作面片幫分析

2.1 煤壁片幫力學(xué)分析

工作面煤壁剪切破壞面多為曲面，如圖2 所示。為研究方便，簡化為平面abc，煤壁壓力簡化為均布力q（實(shí)際煤壁壓力q 不是均勻分布），建立如圖2 所示的力學(xué)模型。按照莫爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，定義沿剪切滑移面上的抗剪力T 除以該滑移面上的滑動力S 為穩(wěn)定系數(shù)，即K=T/S，如果該值小于1，那么煤壁發(fā)生剪切破壞，否則煤壁保持穩(wěn)定，圖2 為煤壁剪切破壞力學(xué)分析。

圖2 煤壁剪切破壞力學(xué)分析Fig.2 Mechanical analysis of shear failure of coal wall

煤壁拉裂破壞的破壞準(zhǔn)則見式（1）。

式中：T 為破壞面提供的抗滑力；S 為沿破壞面ab的滑動力；N 為破壞面上所受的正壓力；L 為破壞面長度；q0為護(hù)幫板作用在煤壁上的載荷集度；H為煤壁高度；H2為護(hù)幫板高度；H1為破壞體高度；G 為破壞體的重力；γ 為煤的體積力；a 為破壞面與煤壁的夾角；Q 為作用在破壞體上的煤壁壓力；Q0為護(hù)幫板對煤壁的水平作用力；c 為煤體的內(nèi)聚力；φ為煤體的內(nèi)摩擦角。

支架與煤壁共同承擔(dān)上覆巖層的頂板壓力，所以煤壁上方壓力見式（2）。

式中：LB為支架控頂距，m；P 為支架支護(hù)強(qiáng)度；H 為割煤高度，m；kp為巖石碎脹系數(shù)；L1為直接頂懸頂距，m；L2為老頂破斷巖塊長度，m；n 為動載系數(shù)，取1.2～3.0。

2.2 工作面煤壁破壞影響因素分析

工作面初采時(shí)煤壁一般不發(fā)生片幫破壞，隨著開采擾動的影響，煤壁煤體完整度逐漸降低，煤體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦逐漸減小。工作面煤壁的基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 為：H=3.5 m，γ=22 kN/m3，kp=1.25，n=1.5，L1=7 m，L2=15 m，LB=5.3 m，P=1.02 MPa，α=45°-φ/2，c=1.5 MPa，φ=20°，q0=0.1 MPa。設(shè)H2=H，分別變化H、P，將式（2）代入式（1），得到工作面煤壁穩(wěn)定系數(shù)K 的值，如圖3 所示。

圖3 煤壁穩(wěn)定系數(shù)K的變化曲線Fig.3 Variation curve of coal stability coefficient K

由圖3 煤壁穩(wěn)定系數(shù)K 的變化曲線可知：

（1）當(dāng)H1=2 m、q0=0.1 MPa 不變時(shí)，割煤高度H 越大，穩(wěn)定系數(shù)K 就越小。當(dāng)煤的內(nèi)聚力c＜2.0 MPa、內(nèi)摩擦角φ＜20°時(shí)，割煤高度H=2.8～4.0 m 時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)K＜1，煤壁發(fā)生破壞；當(dāng)煤的內(nèi)聚力c=2.0 MPa、內(nèi)摩擦角φ=20 °時(shí)，采高H＞3.5 m 時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)K＜1，煤壁發(fā)生破壞，采高H＜3.5 m 時(shí)，煤壁保持穩(wěn)定；當(dāng)煤的內(nèi)聚力c＞1.5 MPa、內(nèi)摩擦角φ＞25 °時(shí)，采高H=2.8～4.0 m時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)K＞1，煤壁保持穩(wěn)定，即煤體較硬時(shí)，煤壁不會出現(xiàn)剪切破壞。但不論哪種情況，隨著割煤高度的增加，煤壁穩(wěn)定性是逐漸降低的。

（2）當(dāng)H1=2 m、q0=0.1 MPa 不變時(shí)，支架的支護(hù)強(qiáng)度P 越大，在相同煤壁壓力q 作用下，穩(wěn)定系數(shù)K 就越大。當(dāng)煤的內(nèi)聚c=1.0 MPa、內(nèi)摩擦角φ=20°時(shí)，無支護(hù)狀態(tài)時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)K 始終小于1，煤壁發(fā)生破壞；當(dāng)煤的內(nèi)聚力c=2.0MPa、內(nèi)摩擦角φ=25°時(shí)，支護(hù)強(qiáng)度P＜1.0 MPa 時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)K＜1，煤壁發(fā)生破壞；當(dāng)煤的內(nèi)聚力c＞3 MPa、內(nèi)摩擦角φ＞30°時(shí)，支護(hù)強(qiáng)度P=0～1.5 MPa 時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)K＞1，煤壁不發(fā)生破壞。因此，當(dāng)煤體較軟時(shí)，雖然提高支護(hù)強(qiáng)度能夠提高煤壁穩(wěn)定性，但是煤壁仍然發(fā)生破壞。

綜合上述分析可知，確定合理的割煤高度，保障支架的工作阻力，以及重視區(qū)域煤巖力學(xué)性質(zhì)變化對提高煤壁穩(wěn)定性的有重要作用。

3 綜放工作面片幫控制對策

基于理論分析，結(jié)合沙吉海煤礦B1003W03 工作面實(shí)際情況，主要從確定合理的割煤高度、保障有效的支架工作阻力以及合理的工作面推進(jìn)速度等方面提出了針對性的綜放工作面煤壁片幫控制對策。

（1）確定合理的工作面割煤高度。合理的工作面割煤高度是防治煤壁片幫的重要因素，在一定范圍內(nèi)加大割煤高度，有助于提高工作面的產(chǎn)量和效益，但是，割煤高度的加大也會加劇煤壁片幫現(xiàn)象的發(fā)生。因此，在正常回采條件下，建議工作面割煤高度不高于3.6 m，遇到地質(zhì)異常區(qū)域以及工作面初采期間應(yīng)做出針對性的調(diào)整。

（2）確定合理的支架工作阻力以及推進(jìn)速度。合理地控制工作面工作阻力可以保證架與頂板的有效接觸，以提供必要的支護(hù)阻力，及時(shí)打開護(hù)幫板對煤壁進(jìn)行防護(hù)，降低片幫幾率。同時(shí)，合理控制工作面推進(jìn)速度可減少煤壁承受的載荷，防止片幫加劇。

（3）重視區(qū)域煤巖性質(zhì)變化，圍巖加固改性。煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)也是影響煤壁片幫的重要因素。煤體力學(xué)性質(zhì)較高的區(qū)域，煤壁的完整性一般較好，而在煤體物理力學(xué)性質(zhì)較為軟弱的區(qū)域，煤體易發(fā)生片幫，應(yīng)采取煤壁加固措施，改善煤巖體物理性質(zhì)，提高煤壁穩(wěn)定性。

考慮到工作面存在一般區(qū)域與構(gòu)造異常區(qū)域，根據(jù)工作面在正常回采與來壓期間圍巖條件，可通過合理調(diào)節(jié)推進(jìn)速度、支架阻力和割煤高度來減輕工作面片幫情況。B1003W05 工作面初采期間、正常回采與來壓期間防治對策應(yīng)用見表1。

表1 基于綜放工作面片幫防治的開采及支護(hù)參數(shù)Table 1 Suggested mining and support parameters based on the prevention and control of rib spalling in caving face

4 綜放工作面片幫控制效果

為驗(yàn)證煤壁片幫防治措施的控制效果，對B1003W03 工作面處于一般區(qū)域，且正常回采條件下的煤壁進(jìn)行探測，采用巖層窺視儀觀察孔內(nèi)裂隙情況分布，在B1003W03 工作面煤壁距離上端口位置為90、113、170m 處分別布置1 號、2 號、3 號3 個(gè)窺視鉆孔，如圖4 所示。

圖4 窺視鉆孔位置布置Fig.4 Peep hole location layout

對綜放工作面煤壁窺視結(jié)果進(jìn)行對比分析，如圖5 所示。綜合90 m 測站、113 m 測站以及170 m測站窺視結(jié)果可知，工作面煤壁由淺到深主要分為破碎區(qū)、采動裂隙區(qū)、穩(wěn)定區(qū)。其中破碎區(qū)主要分布在煤層淺部區(qū)域，集中在0～0.2 m，破碎情況基本一致；工作面的采動影響作用容易使煤壁部分區(qū)域出現(xiàn)采動裂隙區(qū)，在鉆孔3 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)采動裂隙區(qū)，在鉆孔3.3～9 m，分布有極少數(shù)原生裂隙，煤層基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，不存在誘發(fā)煤壁發(fā)生片幫的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，為進(jìn)一步驗(yàn)證煤壁片幫防治措施的控制效果，對工作面現(xiàn)場煤壁進(jìn)行了宏觀觀測，觀測結(jié)果顯示出煤壁整體穩(wěn)定性較好。

圖5 B1003W03 工作面煤壁鉆孔窺視結(jié)果Fig.5 Peeping results of coal wall drilling in No.B1003W03 Face

5 結(jié) 論

（1）通過煤壁片幫理論分析，得出沿剪切滑移面上的抗剪力與該滑移面上的滑動力比值小于1，煤壁發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致煤壁片幫的發(fā)生。

（2）分析了影響煤壁片幫的關(guān)鍵影響因素，提出合理確定工作面割煤高度、重視保障支架工作阻力以及圍巖加固改性的煤壁片幫防治措施，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，煤壁片幫得到了有效控制。