木瓜煤礦大采高工作面煤壁片幫控制技術(shù)實踐

李元武

（霍州煤電集團木瓜煤礦，山西 呂梁 033100）

大采高工作面由于開采空間較大，礦壓顯現(xiàn)程度較強烈，煤壁極易發(fā)生片幫，嚴重影響工作面的安全高效生產(chǎn)。 因此，對于大采高煤壁片幫的控制技術(shù)研究十分重要。 目前，諸多學(xué)者對煤壁片幫的防治進行了深入的研究，陳寧通過現(xiàn)場觀測統(tǒng)計，對煤壁片幫形式進行了分類，并提出頂板預(yù)爆破和煤壁預(yù)加固的控制技術(shù)[1]。吳浩等通過理論分析揭示了大采高工作面煤壁失穩(wěn)特征，并提出了特定工況下的煤壁片幫防治方法[2]。龐義輝等研究了煤壁片幫和頂煤冒放性的關(guān)系，得出合適的采高和支架初撐力可以有效防治煤壁片幫[3]。

1 工程概況

木瓜煤礦所開采煤層為石炭系上統(tǒng)太原組的9#、10#煤，煤層間距0.35～0.7 m，屬合并層。煤層平均厚度6.77 m，煤層傾角3°～14°，平均8.5°，整體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，采用單一走向長壁綜合機械化一次采全高采煤法開采，煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)如表1 所示。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

10-201 工作面上部、 東部及西部為實體煤巖層，北鄰二盤區(qū)三條準備大巷，以南靠近礦井井田邊界。 工作面整體為一單斜構(gòu)造，傾向長度245 m，走向長度1 081 m。 該工作面的初次垮落步距為9.6 m，由于工作面采高較大且受風(fēng)氧化帶影響，在回采過程中出現(xiàn)了煤壁片幫嚴重的問題，制約了工作面的安全高效生產(chǎn)。 因此，需對本工作面大采高煤壁片幫控制技術(shù)展開研究。

10-201 工作面選用 ZY13000/30/65D 型液壓支架，其額定工作阻力為15 000 kN，支架高度3 000～6 500 mm，支架寬度1 680～1 880 mm，支架中心距1.75 m，設(shè)計的初始支撐力為10 386 kN，支護強度1.34～1.42 MPa，對底板最大比壓為2.95～3.65 MPa。該支架頂梁前端設(shè)有伸縮梁，在伸縮梁上安設(shè)了三級護幫板，支護高度可達3.5 m，可對工作面頂板和煤壁進行及時支護。

2 煤壁片幫控制數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立及模擬方案

根據(jù)10-201 工作面煤層賦存地質(zhì)條件采用FLAC3D有限差分軟件建立數(shù)值模型，模型尺寸為：長×寬×高= 50 m×10 m×40 m，煤體及各巖層的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)實際取值，本構(gòu)模型均采用摩爾庫倫準則。 模擬開挖時，支架的初撐力分別選取為6 000 kN、8 000 kN、10 000 kN、12 000 kN 及14 000 kN 五種不同工況進行模擬，在工作面前方頂板及底板施加相應(yīng)的載荷。

2.2 初撐力對煤壁片幫控制效果分析

模擬過程中，監(jiān)測不同初撐力下煤壁的水平位移及頂板上方1 m 深度處的垂直應(yīng)力，以此對比分析各初撐力下的煤壁片幫及頂板的控制效果。 模擬結(jié)果如圖1、圖2 所示。

圖1 不同初撐力下煤壁的水平位移

圖2 煤壁上方頂板深0.5 m 處垂直應(yīng)力

由圖1、圖2 可以看出，當(dāng)初撐力為6 000 kN時，煤壁的整體水平位移量較大，其最大水平變形量為47.23 mm，位于煤壁距底板4.3 m 高處，煤壁與頂?shù)装暹B接處在粘結(jié)力的作用下位移較小，為18.63 mm。 當(dāng)初撐力增加至12 000 kN 時，煤壁的最大水平位移量降低至36.33 mm，較6 000 kN工況下降低了23%；隨著初撐力繼續(xù)增大至14 000 kN，煤壁的最大水平位移為34.89 mm，較12 000 kN 工況下僅降低了3%；繼續(xù)增大初撐力對煤壁變形的控制效果已不再明顯。 煤壁的變形主要是由于頂板垂直壓力的作用，而液壓支架的初撐力對于煤壁上方頂板垂直應(yīng)力有抑制的作用；當(dāng)支架初撐力為6 000 kN 時，煤壁正上方頂板垂直應(yīng)力為23.8 MPa；當(dāng)初撐力增加至12 000 kN時，煤壁上方頂板垂直應(yīng)力降低至17.5 MPa，較6 000 kN 工況下降低了26.4%；隨著初撐力繼續(xù)增大至14 000 kN，煤壁上方頂板垂直應(yīng)力降低至16.2 MPa，較12 000 kN 工況下僅降低了7.4%；繼續(xù)增大初撐力對煤壁上方頂板的控制效果也不再明顯。

2.3 護幫板對煤壁的控制效果分析

（1）護幫板工作狀態(tài)

液壓支架支護頂板及煤壁主要分為以下三個步驟[4-5]：

①支架先探出伸縮梁，護幫板未展開。 伸縮梁通過液壓缸提供的壓力支撐煤壁上方，可提供600 kN 的支撐力，其與頂梁間存在摩擦力，大小約為873 kN。 伸縮梁的支護載荷均勻分布在煤壁上部0.4 m 左右的范圍，如圖3 所示。在模擬過程中，將q1=1 850 kN/m 的水平面力施加在煤壁上部0.4 m 范圍，來模擬伸縮梁對煤壁的支護作用。

圖3 伸縮梁受力狀況分析

②二級護幫板展開對煤壁進行支護，其護幫高度為2.2 m，主要通過液壓油缸推動四連桿機構(gòu)進行運轉(zhuǎn)。 根據(jù)以往的經(jīng)驗及研究可知，護幫板對煤壁施加的作用力呈梯度變化，整體為倒梯形。因此，在模擬時，在煤壁上部2.2 m 范圍施加q2=16.5 kN/m、q3=105.2 kN/m 的梯度應(yīng)力，來模擬二級護幫板的支護作用，如圖4 所示。

圖4 二級護幫板受力狀態(tài)

③三級護幫板展開支護，其與二級護幫板的工作原理相同，支護煤壁的高度達到3.6 m，應(yīng)力也呈倒梯形分布。 在模擬時，將q4=7.5 kN/m、q5=120.2 kN/m 的梯度應(yīng)力施加在煤壁上部3.6 m的范圍內(nèi)，如圖5 所示。

圖5 三級護幫板受力狀態(tài)

④液壓支架對煤壁的控制作用主要是基于護幫板，而護幫板的作用力來源于四連桿機構(gòu)，由于該構(gòu)件較小，所提供的支撐力不足，容易造成煤壁片幫不受控制。 因此，在二級護幫板與頂梁之間增設(shè)一個斜撐液壓油缸增加支撐力，如圖6所示。 經(jīng)過計算，增設(shè)斜撐液壓油缸后，模擬時護幫板對煤壁的支護梯度應(yīng)力提高為q6=48.6 kN/m、q7=162.5 kN/m。

圖6 增設(shè)斜撐護幫板工作狀態(tài)受力

（2）模擬結(jié)果分析

無護幫和有護幫工況下煤壁的水平變形情況如圖7 所示。 無護幫機構(gòu)的工況下，煤壁的變形量較大，最大水平位移為38.6 mm；伸縮梁展出后，僅對煤壁上方1 m 范圍內(nèi)的變形起到了控制作用，煤壁最大水平位移為35.3 mm，效果不明顯；二級、三級護幫板展開后，煤壁的最大水平位移為34.7 mm，較無護幫情況下減小了3.9 mm；增設(shè)斜撐梁后，煤壁的最大水平位移為29.1 mm，較無護幫時減小了9.5 mm，控制效果明顯。

圖7 不同護板工況下的煤壁水平位移

煤壁的片幫主要是由于水平應(yīng)力的卸載影響，提取煤壁內(nèi)側(cè)0.5 m 處的水平應(yīng)力，如圖8 所示。 可以看出，護幫機構(gòu)對于煤壁的水平應(yīng)力卸壓具有抑制作用，在無護幫機構(gòu)的工況下，煤壁3.3～4.3 m 高度內(nèi)處于拉應(yīng)力狀態(tài)，4.3 m 高處的水平應(yīng)力卸載達到0.063 MPa；伸縮梁及二、三級護幫板全部展開后，煤壁整體均處于壓應(yīng)力狀態(tài)，水平卸壓作用得到了抑制；當(dāng)增設(shè)斜撐梁之后，水平應(yīng)力達到了-0.977 MPa，可以有效地防治煤壁片幫。

圖8 不同護板工況下的煤壁內(nèi)水平應(yīng)力

圖9 為無護幫機構(gòu)及改良護幫機構(gòu)支護后，工作面前方煤壁的塑性區(qū)分布情況。 兩種工況下煤壁的最大破壞深度均出現(xiàn)在各自水平位移最大的位置。 在無護幫機構(gòu)的情況下，煤壁最大破壞深度為3.8 m，在改良護幫機構(gòu)的支撐下，煤壁的最大破壞深度降低至2.2 m，有效控制了煤壁的塑性破壞程度。

圖9 工作面前方煤壁塑性區(qū)分布

3 井下應(yīng)用效果分析

3.1 改良前煤壁控制效果分析

未改良前工作面回采時，護幫板的展開效率較低，不能及時起到護幫作用。 且在推進過程中，煤壁的片幫頻次較高，一個月內(nèi)共發(fā)生105 次片幫，其中片幫深度小于300 mm 的次數(shù)占總次數(shù)的51%，片幫深度在300～600 mm的占25%，片幫深度在600～1 000 mm的占14%，周期來壓期間煤壁片幫深度超過1 000 mm 的占10%。 總體煤壁片幫嚴重，制約了工作面的正常生產(chǎn)。

3.2 改良后煤壁控制效果分析

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，在支架頂梁與二級護幫板之間增設(shè)了一根斜撐液壓油缸，并提升了液壓支架的初撐力。 經(jīng)過改良后的液壓支架在回采過程中對頂板的支護作用提高，工作面支柱載荷高于32.6 MPa 的支柱占總支柱量的84%。 同時，在斜撐油缸的作用下，護幫板的支護效率也大大提升，根據(jù)統(tǒng)計，一個月內(nèi)，工作面煤壁的片幫次數(shù)為29 次，非來壓期間煤壁的最大片幫深度降低至500 mm，來壓期間的最大片幫深度降低至700 mm。 煤壁的片幫程度及頻率得到了有效地控制，保證了工作面的安全高效生產(chǎn)。

4 結(jié)論

根據(jù)10-201 大采高工作面的賦存特征，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，研究了煤壁片幫與液壓支架工況之間的關(guān)系，得出支架初撐力由6 000 kN 提升至12 000 kN 時，煤壁的水平位移減小了23%，煤壁上方的垂直應(yīng)力減小了26.4%，繼續(xù)增大初撐力對于煤壁及頂板的控制效果不再明顯；對支架的護幫結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化后，煤壁的最大水平位移減小了9.5 mm，水平應(yīng)力提高至-0.977 MPa，最大破壞深度降低至2.2 m?，F(xiàn)場應(yīng)用效果表明，工作面煤壁的片幫程度及頻率得到了有效地控制，大幅度提高了工作面的生產(chǎn)安全和效率。