大采高綜采工作面煤壁穩(wěn)定性及控制研究

王 彥

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

在我國，厚煤層資源儲量較大，開采厚煤層的主要方法有大采高綜采、放頂煤以及分層開采三種，相比于放頂煤開采和分層開采，大采高綜采技術煤炭采出率高、生產能力大、開采工序簡單，是厚煤層開采的發(fā)展趨勢。但是，由于工作面采高的增加，煤壁片幫現(xiàn)象更加嚴重，最嚴重的可達1m甚至幾米，對工作面的安全生產造成嚴重的威脅。對于煤壁片幫現(xiàn)象，目前主要的處理方法有提高支架初撐力、快速移架、選用合適的護幫裝置等[1]。本文以馬蘭礦18506工作面實際生產條件為工程背景，利用理論分析的方法，對工作面煤壁的穩(wěn)定性進行研究，并提出合理的控制方案，為工作面安全生產奠定基礎。

1 工作面概況

馬蘭礦18506工作面位于南五采區(qū)，主采8號煤層，工作面埋深為550m，傾斜長度為220m，走向長度為1025m，煤層傾角為5°，平均厚度為6.05m，煤層結構簡單，厚度穩(wěn)定，屬于近水平厚煤層。在工作面回采過程中，時常發(fā)生煤壁片幫現(xiàn)象，給工作面的安全生產帶來極大的安全隱患，嚴重威脅工人的生命安全。

2 煤壁穩(wěn)定性分析

2.1 煤壁片幫力學分析

在工作面回采前，煤層受三向應力作用，頂部受到上覆巖層作用，其垂直應力大小為γH，對應的水平應力為：μγH/（1-μ），其中：γ-上覆巖層平均容重；H-煤層埋深；μ-泊松比。煤層回采之后，煤體所受應力變?yōu)槎蚧蛘邌蜗驊顟B(tài)，其穩(wěn)定性大幅降低。在煤層回采過程中，工作面基本頂周期性斷裂，形成工作面來壓，來壓期間，頂板所受載荷大部分由煤壁支撐，且由于煤壁本身存在大量層理裂隙，強度較低，容易發(fā)生滑落式、劈裂式、橫拱式或壓剪式的片幫現(xiàn)象。

受工作面采動影響，煤壁前方出現(xiàn)超前支承壓力，形成塑性破壞區(qū)，使煤壁穩(wěn)定性下降。煤壁前方塑性破壞區(qū)的深度可由下式表示：

式中：

x-塑性區(qū)寬度，m；

M-采高，取6.05m；

K-支承壓力集中系數(shù)，取K=3；

H-煤層埋深，取550m；

Cm-煤層的內聚力，取2.2MPa；

φm-煤層內摩擦角，取26°；

γs-巖層平均容重，取0.025MN/m3；

f-煤層與頂?shù)装宓哪Σ料禂?shù)，可取f=0.3；

P-工作面煤壁的支護強度，MPa；

ζ-三軸應力系數(shù)，有

若不考慮煤壁的護幫力，取煤壁的支護強度P為0MPa時，塑性區(qū)寬度為5.42m。結合現(xiàn)場生產實踐，工作面煤壁片幫現(xiàn)象嚴重，可選用支架合理的護幫裝置來保證煤壁的穩(wěn)定性。

2.2 煤壁片幫高度預測

根據(jù)壓桿理論，對煤壁受力情況進行簡化，建立力學模型，如圖1所示[2]。

圖1 煤壁受力模型

如圖1所示，若不考慮垂直方向煤壁的重量和壓縮變形量，忽略煤壁的剪切變形，不考慮水平方向對煤壁的作用力。則根據(jù)相關資料可知，煤壁破壞最大撓度位于距離頂板0.35h處。根據(jù)實際生產條件，工作面采高為6.05m，則煤壁最大破壞位置應位于距離底板3.93m處。因此，護幫板高度不得低于2.12m。

2.3 煤壁片幫深度預測

為了求出煤壁的片幫深度，可以通過以下兩種方法進行計算分析。

（1）根據(jù)塑性區(qū)范圍

通過前面的計算可知，18506工作面的煤壁塑性破壞區(qū)寬度為5.42m，利用塑性區(qū)寬度，可對煤壁片幫深度進行預測，其表達式為：

式中：

B-煤壁片幫深度，m；

N-相關系數(shù)，取0.3；

x-塑性區(qū)寬度，取5.42m。

將數(shù)據(jù)代入，可得煤壁片幫深度為B=1.63m。

（2）根據(jù)工作面采高

一般來講，工作面的采高越大，煤壁片幫深度越大，其表達式為：

式中，各符號含義與前面相同。

將數(shù)據(jù)代入，可得煤壁的片幫深度為B=3.78m。但是，上述公式只考慮了采高和內摩擦角對煤壁片幫的影響，所得結果與實際相比偏大，為使計算結果更加準確，可加入修正系數(shù)，則煤壁片幫深度可表示為：

式中：

Bx-修正后的煤壁片幫深度，m；

n-修正系數(shù)，可取0.5。

將數(shù)據(jù)代入，可得煤壁片幫深度為1.89m。

綜合以上兩種計算方法的結果可知，兩種方法所得結果十分接近，為安全起見，可取較大值，因此煤壁的片幫深度約為1.89m。

3 煤壁片幫控制措施

根據(jù)該礦實際條件，為提高煤壁穩(wěn)定性，保障工作面的生產安全，提出以下控制措施：

（1）提高支架工作阻力。根據(jù)工作面煤壁受力情況，建立力學模型，如圖2所示[3]。

圖2 工作面受力模型

由上圖可知，工作面頂板壓力由兩部分組成，分別為直接頂自重Q1以及老頂對直接頂所施加的載荷P1，頂板壓力由支架和煤壁共同承受，其計算表達式為：

式中：

P-液壓支架工作阻力，kN；

Q-煤壁所受壓力，kN。

由上圖以及式（5）可以看出，當頂板所受載荷保持不變時，工作面壓力由支架和煤壁共同承擔，適當增加支架工作阻力，可減少煤壁所受壓力，加強煤壁穩(wěn)定性。

（2）加快推進速度。通過以往開采經驗可知，當工作面推進速度較慢時，煤壁前方支承壓力作用時間長，影響范圍大，在一定程度上加劇了煤壁片幫發(fā)生的可能性。因此，在實際生產中，可適當加快工作面的推進速度，對減弱支承壓力影響、增強煤壁穩(wěn)定性有著重要作用。

（3）注漿加固煤壁。當工作面經過斷層或其他地質構造時，圍巖較為破碎，使煤壁片幫的可能性大幅增加。此時，為了提高煤壁穩(wěn)定性，避免發(fā)生煤壁片幫的現(xiàn)象，可利用注漿的方法加固煤壁，增加煤壁強度；同時，也可以適當降低采高，加快推進速度，快速通過斷層影響區(qū)域，保障工作面安全生產。

（4）選擇合理的護幫力。由前面的計算可知，護幫板高度應大于2.12m，為確定護幫力大小，根據(jù)煤壁受力情況，建立力學模型，如圖3所示[4]。

圖3 煤壁片幫簡化模型

由圖可以看出，將失穩(wěn)煤壁簡化為梯形，在與頂板距離為h處，沿斜切面下滑，斜面與水平夾角為α。

對圖3所示力學模型進行求解。首先，可求得滑落煤塊自重為：

式中：

L-梯形寬度，m；

其余符號含義與前面相同。

為簡化運算，將均布載荷q視為力F，建立力學平衡方程，在水平方向有：

在垂直方向有：

式中：

有f1=μ1q1M；f2=μ2F；f3=μ3KγsH/2；

K-應力集中系數(shù)，可取3；

q1-護幫力，MPa；

μ1、μ2、μ3-分別為護幫板與圍巖、煤與側煤、煤與頂煤的摩擦因子，可分別取0.5、0.3和0.2；

其余符號含義與前面相同。

將以上三式聯(lián)立，可得支架的護幫力應為：

將數(shù)據(jù)代入，可得支架的護幫力應為0.185MPa。

4 結論

根據(jù)馬蘭礦18506大采高綜采工作面實際地質條件，對工作面煤壁的穩(wěn)定性進行分析，得到以下結論：

（1）通過理論計算，可得18506工作面煤壁塑形破壞區(qū)深度為5.42m，煤壁穩(wěn)定性較差，片幫現(xiàn)象嚴重；

（2）根據(jù)煤壁受力情況，建立力學模型，確定煤壁最大破壞位置應位于距離底板3.93m處，煤壁的片幫深度為1.89m；

（3）結合工作面實際條件，提出煤壁片幫的控制措施，應適當增加支架工作阻力、加快工作面推進速度、對圍巖破碎段進行注漿加固、確定合理的護幫力為0.185MPa，為工作面的安全生產奠定基礎。