厚煤層一次采全高工作面煤壁失穩(wěn)原因及控制技術(shù)

王國(guó)勛

（西山煤電晉興公司斜溝煤礦， 山西 興縣 033600）

厚煤層一次采全高技術(shù)相對(duì)綜放開采而言可以提升煤炭采出率，在礦井中后煤層開采中得到廣泛應(yīng)用[1]。由于一次開采厚度大，造成采場(chǎng)空間一次懸露面積多，礦壓顯現(xiàn)、煤壁片幫失穩(wěn)等顯現(xiàn)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(lái)不利影響[2-3]。文中以山西某礦6501 大采高一次采全高工作面為研究背景，對(duì)煤壁失穩(wěn)原因及影響因素進(jìn)行分析，并提出有針對(duì)性煤壁失穩(wěn)控制技術(shù)，解決礦井實(shí)踐過(guò)程中遇到煤壁片幫難題。

1 大采高工作面煤壁片幫原因

當(dāng)開挖煤體后，在超前支承壓力影響下，煤壁表面煤體首先遭受破壞，產(chǎn)生大量裂隙，并向煤體深部擴(kuò)展，從而在煤壁表面出現(xiàn)一定深度的塑性區(qū)[4]。塑性區(qū)是導(dǎo)致煤壁出現(xiàn)片幫的一個(gè)重要方面，研究塑性區(qū)、超前支承壓力分布可以更好地解釋煤壁片幫原因。

具體煤壁受力簡(jiǎn)化模型見圖1，由于煤層厚度相對(duì)比采深而言很小，因此可以近似認(rèn)為σx均衡分布，σy沿著煤層厚度方向上不發(fā)生變化，σx、σz表示作用于單元煤體上的壓應(yīng)力，將煤層與頂板、底板接觸面間的內(nèi)聚力、摩擦系數(shù)分別用c1、f1表示，則煤層與頂?shù)装彘g摩擦阻力大小為c1+σzf1，作用方向面向采空區(qū)[5-6]。

根據(jù)極限平衡條件（∑F＝0），可以得出水平方向上的極限平衡方程，具體見公式1。

對(duì)公式（1）進(jìn)行整理后得到式（2）。

圖1 煤壁受力簡(jiǎn)化模型

由于煤壁一側(cè)為實(shí)體煤，另一側(cè)為采空區(qū)，因此水平應(yīng)力在面向采空區(qū)方向得以釋放，造成σz顯著高于 σx，且 σx與 σ3、σz與 σ1之間存在較小夾角，因此，認(rèn)為σz、σx分別為最大、最小主應(yīng)力。設(shè)定煤體屈服時(shí)滿足Lade-Duncan 準(zhǔn)則，則對(duì)可以將公式（2）進(jìn)行轉(zhuǎn)化得到公式（3）。

式中：P 表示采面液壓支架前擋板對(duì)煤壁支撐力。

將D 表達(dá)式帶入到公式（3）中，并簡(jiǎn)化得到公式（4）。

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

式中：K1為應(yīng)力集中系數(shù)；γ 為覆巖容重；H 為埋深。

將公式（5）帶入到公式（4）并簡(jiǎn)化得到，采面煤壁塑性區(qū)分布范圍x 計(jì)算公式，具體如公式（6）所示。

從公式（6）可以看出，采面開采空間捏的支架支撐強(qiáng)度，檔煤板護(hù)壁強(qiáng)度、采面采深、高面高度、煤體強(qiáng)度等是影響采面前方煤壁塑性區(qū)分布范圍的重要因素。通過(guò)提高采面液壓支架支撐阻力、檔煤板護(hù)壁強(qiáng)度，提升煤體強(qiáng)度等，可以在一定程度上減少前方煤體塑性區(qū)分布范圍，在一定程度上降低煤壁片幫嚴(yán)重程度。

2 煤壁片幫影響因素分析

根據(jù)該礦6501 工作面情況，采用FLAC3D軟件對(duì)煤壁片幫影響因素進(jìn)行分析。

2.1 采面液壓支架支撐強(qiáng)度

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果得到6501 工作面不同支護(hù)強(qiáng)度下的頂板下沉量、煤壁位移量變化曲線，具體見圖 2、圖3。

圖2 不同支護(hù)強(qiáng)度下的頂板下沉量變化曲線圖

圖3 不同支護(hù)強(qiáng)度下的頂板下沉量變化曲線圖

從圖2、圖3 可以看出，隨著采面液壓支架支撐阻力的提升，采面頂板下沉量、煤壁水平位移量均出現(xiàn)降低。當(dāng)采面液壓支架工作阻力高于1.2 MPa 時(shí)，頂板下沉量、煤壁水平位移量變化趨于平緩。表明，提高采面液壓支架工作阻力可以在一定程度上控制頂板下沉及煤壁水平位移，但是對(duì)頂板下沉量控制效果要高于對(duì)煤壁水平位移控制效果。同時(shí)液壓支架工作阻力增加至一定值后，再逐漸加大，對(duì)頂板、煤壁位移控制效果增加不明顯。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，通過(guò)提升液壓支架工作阻力，有利于降低頂板下沉施加于煤壁前方的工作阻力，較少煤壁片幫破壞程度。

2.2 檔煤板護(hù)壁強(qiáng)度

具體檔煤板不同護(hù)壁強(qiáng)度下的煤壁水平位移情況見圖4。

圖4 檔煤板不同護(hù)壁強(qiáng)度下的煤壁水平位移變化曲線圖

從圖4 中可以看出，在豎向方向上煤壁水平位移呈現(xiàn)出靠近頂、底板處位移量小，煤壁中部位移量大趨勢(shì)。同時(shí)隨著檔煤板支撐強(qiáng)度增加，煤壁水平位移量值顯著降低，主要是由于受到檔煤板支護(hù)作用，在工作面推進(jìn)方向向煤壁施加以側(cè)向作用力，使得煤壁受力由兩向受力變成三向受力，提高了煤壁抵抗變形的能力。同時(shí)在煤壁上提高擋煤板支撐強(qiáng)度，也可以減少煤壁前方塑性區(qū)范圍，降低煤壁片幫發(fā)生可能。

2.3 注漿加固對(duì)采面煤壁變形量影響

采用大采高一次采全高開采時(shí)，采面礦壓顯現(xiàn)、采動(dòng)壓力更為明顯，采面前方煤體內(nèi)部裂隙、節(jié)理發(fā)育，導(dǎo)致煤壁穩(wěn)定性及承載能力降低。通過(guò)改變采面前方煤體力學(xué)性質(zhì)，可以在一定程度上降低煤體裂隙發(fā)育程度，降低煤壁片幫，注漿是一種較為常用的煤壁加固技術(shù)措施。具體采用注漿、無(wú)注漿兩種條件下煤壁垂向應(yīng)力分布、水平位移變形量見圖5，圖6。

圖5 注漿、無(wú)注漿兩種條件下煤壁垂向應(yīng)力分布圖

圖6 注漿、無(wú)注漿兩種條件下煤壁水平位移變變化曲線

從圖6 中看出，對(duì)采面前方煤體進(jìn)行注漿加固后，采面邊緣煤壁處的垂向應(yīng)力顯著提升，主要是邊緣煤壁在注漿作用下承載能力得以提升，塑性區(qū)破壞范圍有所降低。同時(shí)對(duì)煤壁進(jìn)行注漿后，煤壁水平位移量得到大幅度降低。因此，注漿加固對(duì)保證煤壁穩(wěn)定，避免煤壁片幫具有重要作用。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐分析

通過(guò)對(duì)6501 大采高工作面煤壁片幫發(fā)生原因及影響因素分析，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中通過(guò)采用提高采面液壓支架支撐強(qiáng)度、強(qiáng)化檔煤板支撐能力、提升采面推進(jìn)速度以及煤壁超前注漿加固等技術(shù)手段，來(lái)對(duì)煤壁失穩(wěn)進(jìn)行控制。

3.1 提高采面液壓支架支撐強(qiáng)度

根據(jù)上述分析結(jié)果，在6501 大采高工作面液壓支架支撐強(qiáng)度為1.2 MPa 時(shí)，液壓支架對(duì)煤層頂板、煤壁起到較好的支撐作用。為了提高支撐效果，并考慮10%富裕系數(shù)，采面液壓支架最終支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到1.32 MPa。

根據(jù)采用的液壓支架空頂距離、頂梁長(zhǎng)度、配套尺寸等，根據(jù)下述公式（7）可以計(jì)算出液壓支架工作阻力。

式中：P 為液壓支架工作阻力；q 為支架支承強(qiáng)度，取值 1.32 MPa；B 表示液壓支架寬度，取值 1.75 m；LK、LD分別為梁端寬（取值0.65 m）、頂梁長(zhǎng)（取值4.6 m）。

計(jì)算得出，液壓支架工作阻力為12 128 kN，考慮一定富裕系數(shù)，最終確定采面液壓支架工作阻力為1.3×105kN，安全閥開啟值為46.9 MPa。

3.2 強(qiáng)化檔煤板支撐能力

在6501 大采高工作面液壓支架前端檔煤板采用由液壓油缸、護(hù)幫板組成的三級(jí)護(hù)幫結(jié)構(gòu)，其中第三級(jí)護(hù)幫結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)，護(hù)幫高度h 達(dá)到3 m 以上，強(qiáng)度p 達(dá)到0.85 MPa 以上，具體三級(jí)護(hù)幫結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 三級(jí)護(hù)幫結(jié)構(gòu)（mm）

3.3 提升采面推進(jìn)速度

由于采面煤壁失穩(wěn)具有一定時(shí)效性，可以適當(dāng)提升采面推進(jìn)速度，降低各種不正常事故給采面正常生產(chǎn)帶來(lái)影響，若不得已需要停采時(shí)盡量停止在煤層較薄、頂板條件較好地段。當(dāng)采面煤壁片幫嚴(yán)重時(shí)，可以采用臺(tái)階法截割煤炭，主要是采煤機(jī)先回采上層頂煤，形成高度約為2.5 m 上臺(tái)階，并及時(shí)伸出頂梁護(hù)頂，不推溜，返回時(shí)切割下部堆煤，移動(dòng)刮板輸送機(jī)。

3.4 煤壁超前注漿加固

由于開采的6 號(hào)煤層硬度值在0.6，較為松軟，采用大采高一次采全高工藝，煤壁出現(xiàn)失穩(wěn)片幫可能增加，在回采工作面采用超前注入高水速凝材料進(jìn)行加固。根據(jù)煤壁片幫失穩(wěn)分析結(jié)果，具體確定的采面注漿鉆孔參數(shù)及見表1 和圖8。

表1 注漿鉆孔參數(shù)

圖8 注漿鉆孔布置示意圖

3.5 應(yīng)用效果

在回采工作面布置5 個(gè)測(cè)站，對(duì)采面采用煤壁失穩(wěn)控制技術(shù)前后的煤壁片幫情況進(jìn)行對(duì)比監(jiān)測(cè)。從監(jiān)測(cè)結(jié)果得出，采用煤壁片幫控制技術(shù)后，煤壁片幫嚴(yán)重程度得到顯著降低，最大片幫深度從以往1.68 m 降低至0.58 m，采面平均煤壁片幫深度從0.93 m 降低至0.28 m，片幫范圍從87%降低至25%。表明，在6501 大采高工作面采用的煤壁失穩(wěn)片幫控制技術(shù)應(yīng)用效果明顯，可以有效控制煤壁片幫發(fā)生。

4 結(jié)論

1）采用理論分析方法對(duì)6501 大采高工作面煤壁片幫發(fā)生原因進(jìn)行分析，并具體對(duì)開采引起的煤壁塑性區(qū)分布范圍，超前支撐壓力分布情況等進(jìn)行研究，并確定采面液壓支架支撐強(qiáng)度、煤體強(qiáng)度、埋深、開采高度以及檔煤板支撐強(qiáng)度等是影響煤壁穩(wěn)定性的主要因素。

2）根據(jù)理論分析結(jié)果，對(duì)支架支撐強(qiáng)度、檔煤板護(hù)壁強(qiáng)度、注漿加固對(duì)采面煤壁變形量影響等因素對(duì)煤壁失穩(wěn)片幫作用進(jìn)行具體分析，并根據(jù)分析結(jié)果，在6501 大采高工作面采用提高采面液壓支架支撐強(qiáng)度、強(qiáng)化檔煤板支撐能力、提升采面推進(jìn)速度以及煤壁超前注漿加固等技術(shù)手段，來(lái)對(duì)煤壁失穩(wěn)進(jìn)行控制。

3）6501 大采高工作面采用提出的煤壁失穩(wěn)控制技術(shù)后，圍巖穩(wěn)定性顯現(xiàn)提升，煤壁片幫深度從0.93 m 降低至0.28 m，片幫范圍從87%降低至25%，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得顯著效果。