綜采工作面煤壁失穩(wěn)機(jī)理及控制技術(shù)研究

楊玉海

（霍州煤電集團(tuán)河津薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 河津 043302）

生產(chǎn)實(shí)踐表明，一次采全高的開采方式不僅回收率高、含矸率低，還具有推進(jìn)速度快和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是由于一次開采厚度大，造成采場(chǎng)空間一次懸露面積多，并且受到礦山壓力和開采擾動(dòng)的影響，煤壁片幫失穩(wěn)現(xiàn)象更容易發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)設(shè)備以及人員損傷事故，給礦井生產(chǎn)帶來不利影響。因此，本文以薛虎溝煤礦2-106A 工作面為例，通過分析該工作面煤壁失穩(wěn)的原因及其影響因素，并提出有針對(duì)性煤壁失穩(wěn)的控制技術(shù)措施，解決礦井生產(chǎn)過程中遇到煤壁片幫的難題，確保礦井正常的生產(chǎn)工作。

1 工程背景

薛虎溝煤礦2-106A 工作面主采2#煤，走向長(zhǎng)200 m，傾斜長(zhǎng)790 m，煤層平均傾角為4°，煤層厚度3.2～5.0 m，平均厚度3.4 m。該煤層其上分層已部分采空，下分層少量采空，煤層結(jié)構(gòu)單一，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。工作面具體的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)情況分布表

由表1 可以看出，直接頂為砂質(zhì)泥巖，受上分層采空影響，煤層再生頂板破碎，局部范圍易出現(xiàn)矸石冒落和煤壁片幫等問題；底板為砂質(zhì)泥巖，層狀結(jié)構(gòu)且質(zhì)軟，部分支架出現(xiàn)陷底現(xiàn)象，在支架受力不均勻情況下導(dǎo)致支架歪斜偏移預(yù)定位置，影響支架對(duì)煤壁的控制效果。

2 煤壁失穩(wěn)機(jī)理分析

煤壁片幫是指煤壁失去了保持平衡形態(tài)的能力，是一種失穩(wěn)表現(xiàn)。當(dāng)煤體開挖后，初始的地應(yīng)力被破壞，煤壁受力從三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮上驊?yīng)力狀態(tài)。在超前支承壓力影響下，當(dāng)煤體極限強(qiáng)度小于支承壓力時(shí)，煤壁表面煤體首先遭受破壞，產(chǎn)生大量裂隙，后逐步向深部發(fā)展。當(dāng)裂隙擴(kuò)展到煤體邊界，煤壁處煤體發(fā)生剝離，會(huì)出現(xiàn)頂部、底部和斜切等不同形式的片幫。此外，地質(zhì)資料顯示，2-106A工作面掘進(jìn)過程中共揭露小窯破壞區(qū)34處，部分區(qū)域受小煤窯破壞及廢棄井筒影響，煤巖體膠結(jié)能力急劇下降，造成塊體沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移，從而導(dǎo)致煤體發(fā)生大面積破壞，煤壁出現(xiàn)了失穩(wěn)。為了便于研究，建立煤壁受力簡(jiǎn)化模型如圖1 所示。

圖1 煤壁受力簡(jiǎn)化模型

圖中，σx、σz表示作用在煤體上的壓應(yīng)力，c1為內(nèi)聚力，f1為摩擦系數(shù)。則煤層與頂板之間的摩擦阻力為c1+σzf1，作用方向面向采空區(qū)。根據(jù)極限平衡條件（ΣF=0）可得：

由于煤壁一側(cè)為實(shí)體煤，另一側(cè)為采空區(qū)，設(shè)定煤體屈服時(shí)滿足 Lade-Duncan 準(zhǔn)則，則將公式（1）進(jìn)行化簡(jiǎn)得：

式中，D=ln（c1+f1ηp+f1ησ0-f1σ0），設(shè)定采面前方煤壁內(nèi)最大支承壓力位于彈、塑性區(qū)分界處，則σz=K1γH，此時(shí)采面煤壁塑性區(qū)分布范圍x 計(jì)算公式：

式中：p 為采面液壓支架前擋板對(duì)煤壁支撐力，K1為應(yīng)力集中系數(shù)，γ 為覆巖容重，H 為埋深。

由公式（3）可以看出，液壓支架的支撐強(qiáng)度、煤層埋深和煤巖體強(qiáng)度等都是影響工作面煤壁失穩(wěn)的重要因素。

3 煤壁控制技術(shù)措施

通過分析2-106A 工作面煤壁失穩(wěn)的機(jī)理可知，煤壁的失穩(wěn)主要是受超前支承壓力與特殊的地質(zhì)條件共同影響。隨著工作面的推進(jìn)，部分區(qū)域因上分層采空及廢棄井筒影響，破壞區(qū)煤層再生頂板破碎，導(dǎo)致液壓支架受力不均，煤壁控制效果不理想，嚴(yán)重影響工作面的安全生產(chǎn)。因此，在作業(yè)過程中應(yīng)采用提高液壓支架支護(hù)強(qiáng)度、加強(qiáng)支架管理和煤壁注漿加固等技術(shù)措施對(duì)煤壁進(jìn)行控制，以此實(shí)現(xiàn)開采工作面的高效安全生產(chǎn)。

（1）提高液壓支架支護(hù)強(qiáng)度

工作面支護(hù)強(qiáng)度過大會(huì)造成液壓支架的浪費(fèi)，支護(hù)強(qiáng)度過小則會(huì)因支護(hù)力不足而發(fā)生煤壁片幫或冒頂事故。因此必須對(duì)頂板的支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行估算，保證液壓支架初撐力達(dá)標(biāo)，支護(hù)有效。工作阻力的計(jì)算公式如下：

式中：LK為頂梁長(zhǎng)度，m；LD為梁端距，m；B 為架寬，m；η 為支護(hù)效率，取0.9；q 為支架支護(hù)的頂板直接壓強(qiáng)，取637 kPa。

根據(jù)薛虎溝煤礦相關(guān)煤巖力學(xué)參數(shù)，LK=4.94 m，LD=0.385 m，B=1.5 m。經(jīng)計(jì)算，液壓支架工作阻力為5653 kN。考慮到該工作面頂?shù)装宓膸r性和小煤窯影響等情況，留一定富裕系數(shù)，因此工作阻力取6000 kN。支架初撐力為支護(hù)阻力的80%比較適宜，因此確定初撐力不得低于4800 kN。

（2）加強(qiáng)支架管理

采煤機(jī)過后應(yīng)及時(shí)跟機(jī)移架，移架在采煤機(jī)割過1 架后進(jìn)行。對(duì)于煤壁片幫嚴(yán)重的區(qū)域，則需要拉超前架和采用擦頂移架方式進(jìn)行拉架，及時(shí)打開護(hù)幫板，并且將支架前梁和二級(jí)護(hù)幫緊貼煤壁，確保支架能給予煤壁有效支護(hù)作用，保證支架支撐狀態(tài)良好，預(yù)防煤壁片幫。另外適當(dāng)提高支架安全閥的開啟壓力。

（3）注漿加固技術(shù)

根據(jù)2-106A 工作面的地質(zhì)情況，利用復(fù)合氣泵將馬麗散樹脂和催化劑注入裂隙中，對(duì)該工作面的煤壁進(jìn)行超前加固處理，在很短的時(shí)間內(nèi)抗壓強(qiáng)度大于20 MPa，提高工作面煤巖體巖層的承載能力。同時(shí)，在工作面底板軟弱區(qū)域，可采取對(duì)底板進(jìn)行混凝土施工，提高頂?shù)装宓钠秸潭纫员ＷC支架受力均衡，防止支架出現(xiàn)陷底現(xiàn)象。

4 應(yīng)用效果

布置測(cè)站對(duì)不同支護(hù)強(qiáng)度下煤壁的移近量和注漿與無注漿時(shí)煤壁移近量進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，得到的數(shù)據(jù)如圖2、圖3 所示。

圖2 支護(hù)強(qiáng)度與煤壁移近量曲線

圖3 注漿與無注漿時(shí)煤壁移近量曲線

由圖2 可以看出，隨著液壓支架支護(hù)強(qiáng)度的增加，工作面煤壁移近量由66.8 mm 降至55.4 mm，且當(dāng)工作阻力大于0.6 MPa 時(shí)，煤壁位移量趨于穩(wěn)定。這說明在一定范圍內(nèi)，提高液壓支架工作阻力可以降低頂板對(duì)煤壁施加的壓力，減少煤壁片幫的破壞程度。

由圖3 可知，無注漿時(shí)煤壁移近量達(dá)64.7 mm，采用注漿加固技術(shù)后，煤巖體裂隙被黏結(jié)組成樹脂膠結(jié)體，煤壁移近量得到大幅度降低。這表明注漿加固技術(shù)有效改善了圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，提高了煤壁的整體強(qiáng)度和自承能力，確保了煤壁的穩(wěn)定性，避免在回采過程中出現(xiàn)煤壁片幫安全事故。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)2-106A 工作面的地質(zhì)條件，通過分析煤壁失穩(wěn)的機(jī)理及其原因，并建立煤壁受力的簡(jiǎn)化模型，為工作面煤壁的控制技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

（2）通過理論分析，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)原有液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行估算，確定初撐力不得低于4800 kN，同時(shí)采用加強(qiáng)支架管理和注漿加固技術(shù)措施對(duì)圍巖進(jìn)行控制，提高了圍巖整體強(qiáng)度和自承能力，實(shí)現(xiàn)開采工作面高效安全生產(chǎn)。

（3）對(duì)2-106A 工作面煤壁失穩(wěn)機(jī)理及頂板控制技術(shù)的研究，煤壁移近量得到大幅度降低。這說明該控制技術(shù)措施能有效提升煤壁的穩(wěn)定性，滿足了企業(yè)的生產(chǎn)要求，實(shí)現(xiàn)開采工作面破碎頂板安全生產(chǎn)，為煤礦企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟(jì)效益。