西溝煤業(yè)3519工作面煤壁穩(wěn)定性分析及控制技術(shù)

郭江峰

(山西陽城陽泰集團(tuán) 西溝煤業(yè)有限公司， 山西 陽城 048100)

隨著我國煤炭開采深度的逐年增大，采動影響下的礦壓顯現(xiàn)更為劇烈與明顯，回采工作面極易發(fā)生煤壁片幫，引發(fā)端面冒頂垮落，威脅工作面設(shè)備和人員安全。因此，控制煤壁片幫，保證煤壁的穩(wěn)定性成為關(guān)注的技術(shù)問題。針對煤壁穩(wěn)定性，眾多學(xué)者展開了研究，如牛艷奇等[1]通過建立大采高工作面煤壁力學(xué)模型，分析得出影響工作面煤壁片幫穩(wěn)定性的因素主要有采高、內(nèi)摩擦角等；郝海金等[2]通過數(shù)值模擬軟件分析了煤壁穩(wěn)定性與采高之間的關(guān)系，得出隨著采高的增大，工作面煤壁及支架上方的巖體受到的水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力和剪應(yīng)力也表現(xiàn)為一定程度的增大。煤壁的穩(wěn)定性不僅受煤層賦存條件的影響，也受采煤工藝及參數(shù)的影響。本文在現(xiàn)有煤壁穩(wěn)定性理論研究的基礎(chǔ)上，以西溝煤業(yè)有限公司3519工作面為研究背景，采用數(shù)值模擬軟件分析工作面回采速度、液壓支架工作阻力與煤壁穩(wěn)定性之間的關(guān)系，并提出針對性的措施，以保障工作面煤壁的穩(wěn)定性。

1 工程概況

山西陽泰集團(tuán)西溝煤業(yè)3519工作面位于3500采區(qū)，工作面東側(cè)為順槽保安煤柱，南側(cè)為3500采區(qū)運輸大巷，西側(cè)為工作面實體煤柱，北側(cè)為保安煤柱。工作面區(qū)域煤層均厚為2.95 m，煤層中含矸1～4層，矸石成分主要為炭質(zhì)泥巖，矸石厚0.02～0.42 m，煤層內(nèi)節(jié)理裂隙較為發(fā)育，煤層上方直接頂為泥巖和粉砂巖，均厚為7.32 m，基本頂為中粒和細(xì)粒砂巖，均厚為10.6 m，煤層底板為粉砂質(zhì)泥巖。工作面采用綜采采煤工藝，采高為2.95 m，由于煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，在回采過程中常出現(xiàn)煤壁大范圍片幫的現(xiàn)象，故急需采取有效手段控制煤壁的穩(wěn)定性。

2 煤壁穩(wěn)定性分析

2.1 煤壁片幫形態(tài)分析

根據(jù)3519工作面回采過程中煤壁片幫情況的現(xiàn)場觀測，得出煤壁主要發(fā)生4種形態(tài)的片幫，煤壁片幫形態(tài)示意圖見圖1.

圖1 3519工作面煤壁片幫形態(tài)示意圖

圖1a)表示在工作面推進(jìn)通過底板較為完整、煤體節(jié)理裂隙相對不發(fā)育的區(qū)域時，在工作面超前支承壓力的作用下，工作面煤壁在頂板與肩角的位置處出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。此時，在煤壁處易出現(xiàn)小塊度和小范圍的剪切滑移破壞現(xiàn)象。

圖1b)表示工作面推進(jìn)通過煤層夾矸層較厚，并且夾矸層遇水后容易出現(xiàn)片落，當(dāng)煤層內(nèi)夾矸層的裂隙與煤層頂?shù)装鍘r層貫通后，在煤壁處會出現(xiàn)連片凹向煤體內(nèi)部的現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場觀測可知，該種煤壁片幫的最大深度為1 m.

圖1c)表示工作面推進(jìn)通過煤體間接觸較差、煤層頂板較為完整、底板較為破碎的區(qū)域，此時煤壁底部肩角的區(qū)域，在頂板應(yīng)力和底板應(yīng)力的作用下，出現(xiàn)煤壁底部片幫的現(xiàn)象，片幫的深度在0.1～0.28 m.

圖1d)表示工作面推進(jìn)通過煤體節(jié)理裂隙較為發(fā)育、頂板巖層完整區(qū)域時，煤壁在走向應(yīng)力和傾向應(yīng)力的作用下，在兩端頭的區(qū)域出現(xiàn)頂板至底部整體片幫破壞。

2.2 煤壁穩(wěn)定性影響因素分析

根據(jù)3519工作面煤層的具體情況可知，煤層中部含有一層炭質(zhì)泥巖的夾矸層，且夾矸層區(qū)域節(jié)理裂隙較為發(fā)育，片幫現(xiàn)象較為嚴(yán)重。根據(jù)相關(guān)理論研究[3-4]，結(jié)合工作面煤體的具體賦存特征，確定影響3519工作面煤壁穩(wěn)定性的主要因素為工作面推進(jìn)速度、液壓支架的工況和礦山壓力的特征?，F(xiàn)針對每個因素進(jìn)行具體闡述分析：

1) 工作面推進(jìn)速度。3519工作面在回采過程中，推進(jìn)速度的最大值為30 m/d，推進(jìn)的平均速度為20 m/d. 為有效分析工作面不同推進(jìn)速度下，工作面前方煤體的穩(wěn)定性，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬分析工作面前方煤體在推進(jìn)速度分別為20 m/d和30 m/d時應(yīng)力分布和塑性區(qū)分布狀態(tài)，具體工作面推進(jìn)不同速度下前方煤體應(yīng)力及塑性區(qū)的發(fā)育狀態(tài)見圖2.

圖2 工作面不同推進(jìn)速度下前方煤體應(yīng)力及塑性區(qū)分布規(guī)律圖

通過分析圖2可知，當(dāng)工作面推進(jìn)速度為20 m/d時，工作面前方支承應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在煤壁前方12.4 m的位置處，峰值為10.07 MPa，峰值處的應(yīng)力集中系數(shù)為4.2，工作面前方塑性區(qū)的最大寬度為14 m；在工作面推進(jìn)速度為30 m/d時，工作面前方支承應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在煤壁前方14.15 m的位置處，峰值為11.10 MPa，峰值處的應(yīng)力集中系數(shù)為3.99，工作面前方塑性區(qū)的最大寬度為16 m. 基于上述分析可知，隨著工作面推進(jìn)速度的提高，其煤體前方的支承壓力集中系數(shù)降低，支承應(yīng)力的峰值逐漸遠(yuǎn)離工作面煤壁區(qū)域。

2) 礦山壓力。根據(jù)3519工作面推進(jìn)過程中的礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，工作面基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?0 m，基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄嘣?5～20 m，煤壁片幫的現(xiàn)象在工作面來壓期間較為劇烈，片幫的最大長度為2 m，最大高度為0.4 m，最大深度為0.1 m. 在工作面回采期間，超前支承壓力的應(yīng)力集中系數(shù)較大，使得煤體內(nèi)原有的節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)育，逐步出現(xiàn)裂隙貫通的現(xiàn)象。

3) 液壓支架工況。3519工作面采用ZY12000/20/40D支撐掩護(hù)式液壓支架，該支架的工作阻力為12 000 kN，額定初撐力為8 728 kN. 為有效分析支架初撐力、支護(hù)阻力對煤壁穩(wěn)定性的影響，設(shè)置4組不同的支架初撐力，分別為6 000 kN、7 000 kN、8 000 kN、9 000 kN，4組支架工作阻力分別為6 000 kN、9 000 kN、12 000 kN、1 5 000 kN. 采用UDEC數(shù)值模擬軟件，模擬分析不同支架初撐力、工作阻力下煤壁片幫量，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出煤壁片幫情況，見圖3.

圖3 不同支架初撐力和支護(hù)阻力下煤壁片幫情況圖

通過分析圖3可知，隨著支架初撐力的逐漸增大，工作面回采過程中，煤壁的片幫量逐漸降低。隨著支架工作阻力的增大，煤壁的片幫量同樣逐漸降低，在支架的初撐力由600 kN增大到8 000 kN時，煤壁片幫量的降低幅度較大，平均支架初撐力每增大1 000 kN，煤壁的片幫量減小15 mm；當(dāng)支架的初撐力增大到8 000 kN以上時，隨著支架初撐力的增大，煤壁片幫的降低幅度降低；支架的工作阻力由6 000 kN增大到12 000 kN時，液壓支架的工作阻力平均每增大3 000 kN，煤壁的片幫量平均降低20 mm；當(dāng)支架的工作阻力增大至12 000 kN以上時，隨著支架工作阻力的增大，其煤壁片幫的降低幅度逐漸減小?；谏鲜龇治隹芍?，現(xiàn)有支架滿足使用要求。另外能夠得出，在支架的額定工作阻力、額定初撐力的范圍內(nèi)，盡量增大支架的工作面阻力和初撐力，有利于防止煤壁片幫現(xiàn)象。

3 煤壁穩(wěn)定性控制技術(shù)

根據(jù)3519工作面煤壁片幫的特征和情況，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，確定提高工作面的推進(jìn)速度、提升支架的初撐力和工作阻力、減小工作面煤壁的受力能夠有效防止煤壁大范圍片幫現(xiàn)象的發(fā)生。因此，防止3519工作面煤壁片幫的具體措施為：優(yōu)化回采工序和改善支架工況，具體方案：

1) 提升回采速度。在3519工作面推進(jìn)通過煤壁易出現(xiàn)圖1a)和圖1b)型破壞區(qū)域，即工作面推進(jìn)通過底板較為完整、煤體節(jié)理裂隙相對不發(fā)育的區(qū)域和煤層夾矸層較厚、且夾矸層遇水后容易出現(xiàn)片落區(qū)域時，回采過程中盡量提高工作面的推進(jìn)速度，保持工作面的推進(jìn)速度為30 m/d，優(yōu)化工作面的回采工藝為小進(jìn)尺多循環(huán)，有效降低工作面頂板的懸頂面積，設(shè)置循環(huán)進(jìn)尺為0.6 m，以有效降低工作面回采過程中超前支承壓力對煤壁的破壞作用，同時能夠有效抑制上覆巖層應(yīng)力向煤壁的傳遞時間，減少煤壁損傷程度[5-6].

2) 保障支架結(jié)頂嚴(yán)實，充分利用護(hù)幫板。在工作面液壓支架移架期間，應(yīng)盡量加快移架的速度并保障支架在移動完成后與直接頂巖層密實接觸，同時為對煤壁形成一定的支撐作用，在支架移架完成后，及時打開護(hù)幫板。

3) 改善支架工況。根據(jù)3519工作面回采期間的礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，支架的整體適應(yīng)性良好，但回采過程中液壓支架出現(xiàn)初撐力不達(dá)標(biāo)、支架的工作阻力存在較大富裕系數(shù)的情況，回采期間支架的性能并沒有得到有效的發(fā)揮，分析10#、11#、12#支架在未采取改善支架工況時工作面回采期間支架工作阻力，其曲線圖見圖4.

圖4 未改善支架工況時支架工作阻力曲線圖

通過分析圖4可知，為保障煤壁的穩(wěn)定性，在操作過程中，應(yīng)盡量提升支架的初撐力和工作阻力，尤其針對工作面推進(jìn)至煤壁煤體間接觸較差及煤體節(jié)理裂隙較為發(fā)育的區(qū)域。此時煤壁易出現(xiàn)圖1c)和圖1d)的破壞形態(tài)，工作面推進(jìn)通過該區(qū)域時，應(yīng)盡量保障支架的初撐力不低于24 MPa，回采過程中，應(yīng)保證支架的歪斜度不大于5°，支架頂梁最大仰角小于7°，支架間的間距不大于200 mm，支架液壓泵站提供的供液壓力不小于30 MPa. 支架的最大和最小控頂距見圖5.

圖5 液壓支架最大和最小控頂距結(jié)構(gòu)示意圖

4 效果分析

3519工作面采用優(yōu)化后的回采工藝并改善支架的工況后，根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果可知，工作面回采過程中，煤壁片幫的現(xiàn)象大幅減少，煤壁片幫發(fā)生頻率降低了60%，片幫僅在局部地質(zhì)異常區(qū)段出現(xiàn)，最大片幫長度為2 m，最大片幫深度僅為0.2 m. 由此可知，工作面采用的控制技術(shù)有效保障了3519工作面回采期間煤壁的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

根據(jù)3519工作面的煤層及頂?shù)装遒x存特征，通過分析工作面煤壁片幫的具體形態(tài)和特征，結(jié)合在不同推進(jìn)速度和不同支架工況下煤壁的片幫情況，確定控制工作面的煤壁片幫主要通過提升推進(jìn)速度、減小循環(huán)進(jìn)尺、改善支架工況的方式，優(yōu)化工藝后，根據(jù)現(xiàn)場觀測可知，煤壁片幫頻率大幅降低，片幫量大范圍減小，保障了煤壁的穩(wěn)定。