三軟厚煤層綜放工作面煤壁片幫防治研究

李海波

（國網(wǎng)能源和豐煤電有限公司沙吉海煤礦，新疆 塔城 834400）

0 引 言

在煤炭資源開采過程中，厚度超過3.5 m 的煤層一般采用綜放開采，但隨著采高增加，煤壁片幫的現(xiàn)象變得十分突出，對工作面礦壓防治造成極大的困擾，尤其是在三軟厚煤層綜放工作面中，煤層物理力學性質(zhì)較為軟弱，工作面礦壓顯現(xiàn)更加劇烈，工作面會頻繁出現(xiàn)煤壁大面積片幫的問題，嚴重威脅現(xiàn)場施工人員安全。

針對綜放工作面片幫機理與防治對策，張金虎[1]分析了煤壁穩(wěn)定性的影響因素，提出通過增強支架工作能力、增大護幫防護面積和護幫力、提升供液速度的多維防護措施；楊勝利[2-3]等分析了煤壁變形特征和柔性加固機理，設(shè)計了柔性材料拉拔實驗和柔性材料加固煤樣強度實驗，研究了不同直徑棕繩煤樣的變形和強度特征；李振華等[4-5]總結(jié)并分析了回采過程中煤壁片幫的基本特征，提出了“煤層注水、適當減緩工作面推進速度、提高液壓支架工作阻力”的片幫綜合治理方案；李立、付永剛等[6-7]通過建立煤壁片幫模型，分析了工作面煤壁片幫力學機制，研究了傾角、采高與片幫臨界力對片幫的影響；王兆會[8-9]等采用室內(nèi)試驗、理論分析及現(xiàn)場實測綜合手段對硬煤煤壁破壞形式、發(fā)生機理及影響因素進行分析；伍永平[10-11]通過建立傾向煤壁巖梁力學模型，揭示了不同因素對煤壁片幫的影響機制。

諸多學者從不同方面研究了綜放工作面片幫機理，并提出具有工程借鑒意義的防治對策。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以沙吉海煤礦B1003W03 綜放工作面為工程背景，基于理論分析揭示了綜放工作面片幫冒頂機理，提出了影響工作面煤壁片幫的重要因素，形成了針對性的工作面片幫防治對策。

1 概 況

沙吉海煤礦主采B10 煤層，埋深250 m 左右，煤層平均厚度5.68 m，可采5.38 m，厚度變化較大，其內(nèi)部含夾矸，夾矸厚度均在1.0 m 以上。

工作面采用綜采放頂煤采煤方法，煤層頂板復合特征明顯，其巖層結(jié)構(gòu)主要由泥巖和砂質(zhì)泥巖組成，煤層及頂板的整體強度較低，屬于典型的三軟煤層，圖1 為B10 煤層頂板巖層結(jié)構(gòu)窺視探測結(jié)果。

圖1 B10 煤層頂板巖層結(jié)構(gòu)窺視探測結(jié)果Fig.1 Roof peep results of No.B10 Coal Seam

B10 煤層的層理發(fā)育特征不明顯，但在垂直方向上裂隙及縱向節(jié)理較為發(fā)育，同時煤體的單軸抗拉強度極低，僅為0.49～0.71 MPa，且工作面回采過程中由于受到劇烈采動影響，煤體易發(fā)生拉裂破壞，從而產(chǎn)生煤壁片幫現(xiàn)象，嚴重制約了工作面的安全有序推進。

2 綜放工作面片幫分析

2.1 煤壁片幫力學分析

工作面煤壁剪切破壞面多為曲面，如圖2 所示。為研究方便，簡化為平面abc，煤壁壓力簡化為均布力q（實際煤壁壓力q 不是均勻分布），建立如圖2 所示的力學模型。按照莫爾-庫侖強度準則，定義沿剪切滑移面上的抗剪力T 除以該滑移面上的滑動力S 為穩(wěn)定系數(shù)，即K=T/S，如果該值小于1，那么煤壁發(fā)生剪切破壞，否則煤壁保持穩(wěn)定，圖2 為煤壁剪切破壞力學分析。

圖2 煤壁剪切破壞力學分析Fig.2 Mechanical analysis of shear failure of coal wall

煤壁拉裂破壞的破壞準則見式（1）。

式中：T 為破壞面提供的抗滑力；S 為沿破壞面ab的滑動力；N 為破壞面上所受的正壓力；L 為破壞面長度；q0為護幫板作用在煤壁上的載荷集度；H為煤壁高度；H2為護幫板高度；H1為破壞體高度；G 為破壞體的重力；γ 為煤的體積力；a 為破壞面與煤壁的夾角；Q 為作用在破壞體上的煤壁壓力；Q0為護幫板對煤壁的水平作用力；c 為煤體的內(nèi)聚力；φ為煤體的內(nèi)摩擦角。

支架與煤壁共同承擔上覆巖層的頂板壓力，所以煤壁上方壓力見式（2）。

式中：LB為支架控頂距，m；P 為支架支護強度；H 為割煤高度，m；kp為巖石碎脹系數(shù)；L1為直接頂懸頂距，m；L2為老頂破斷巖塊長度，m；n 為動載系數(shù)，取1.2～3.0。

2.2 工作面煤壁破壞影響因素分析

工作面初采時煤壁一般不發(fā)生片幫破壞，隨著開采擾動的影響，煤壁煤體完整度逐漸降低，煤體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦逐漸減小。工作面煤壁的基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 為：H=3.5 m，γ=22 kN/m3，kp=1.25，n=1.5，L1=7 m，L2=15 m，LB=5.3 m，P=1.02 MPa，α=45°-φ/2，c=1.5 MPa，φ=20°，q0=0.1 MPa。設(shè)H2=H，分別變化H、P，將式（2）代入式（1），得到工作面煤壁穩(wěn)定系數(shù)K 的值，如圖3 所示。

圖3 煤壁穩(wěn)定系數(shù)K的變化曲線Fig.3 Variation curve of coal stability coefficient K

由圖3 煤壁穩(wěn)定系數(shù)K 的變化曲線可知：

（1）當H1=2 m、q0=0.1 MPa 不變時，割煤高度H 越大，穩(wěn)定系數(shù)K 就越小。當煤的內(nèi)聚力c＜2.0 MPa、內(nèi)摩擦角φ＜20°時，割煤高度H=2.8～4.0 m 時，穩(wěn)定系數(shù)K＜1，煤壁發(fā)生破壞；當煤的內(nèi)聚力c=2.0 MPa、內(nèi)摩擦角φ=20 °時，采高H＞3.5 m 時，穩(wěn)定系數(shù)K＜1，煤壁發(fā)生破壞，采高H＜3.5 m 時，煤壁保持穩(wěn)定；當煤的內(nèi)聚力c＞1.5 MPa、內(nèi)摩擦角φ＞25 °時，采高H=2.8～4.0 m時，穩(wěn)定系數(shù)K＞1，煤壁保持穩(wěn)定，即煤體較硬時，煤壁不會出現(xiàn)剪切破壞。但不論哪種情況，隨著割煤高度的增加，煤壁穩(wěn)定性是逐漸降低的。

（2）當H1=2 m、q0=0.1 MPa 不變時，支架的支護強度P 越大，在相同煤壁壓力q 作用下，穩(wěn)定系數(shù)K 就越大。當煤的內(nèi)聚c=1.0 MPa、內(nèi)摩擦角φ=20°時，無支護狀態(tài)時，穩(wěn)定系數(shù)K 始終小于1，煤壁發(fā)生破壞；當煤的內(nèi)聚力c=2.0MPa、內(nèi)摩擦角φ=25°時，支護強度P＜1.0 MPa 時，穩(wěn)定系數(shù)K＜1，煤壁發(fā)生破壞；當煤的內(nèi)聚力c＞3 MPa、內(nèi)摩擦角φ＞30°時，支護強度P=0～1.5 MPa 時，穩(wěn)定系數(shù)K＞1，煤壁不發(fā)生破壞。因此，當煤體較軟時，雖然提高支護強度能夠提高煤壁穩(wěn)定性，但是煤壁仍然發(fā)生破壞。

綜合上述分析可知，確定合理的割煤高度，保障支架的工作阻力，以及重視區(qū)域煤巖力學性質(zhì)變化對提高煤壁穩(wěn)定性的有重要作用。

3 綜放工作面片幫控制對策

基于理論分析，結(jié)合沙吉海煤礦B1003W03 工作面實際情況，主要從確定合理的割煤高度、保障有效的支架工作阻力以及合理的工作面推進速度等方面提出了針對性的綜放工作面煤壁片幫控制對策。

（1）確定合理的工作面割煤高度。合理的工作面割煤高度是防治煤壁片幫的重要因素，在一定范圍內(nèi)加大割煤高度，有助于提高工作面的產(chǎn)量和效益，但是，割煤高度的加大也會加劇煤壁片幫現(xiàn)象的發(fā)生。因此，在正?；夭蓷l件下，建議工作面割煤高度不高于3.6 m，遇到地質(zhì)異常區(qū)域以及工作面初采期間應做出針對性的調(diào)整。

（2）確定合理的支架工作阻力以及推進速度。合理地控制工作面工作阻力可以保證架與頂板的有效接觸，以提供必要的支護阻力，及時打開護幫板對煤壁進行防護，降低片幫幾率。同時，合理控制工作面推進速度可減少煤壁承受的載荷，防止片幫加劇。

（3）重視區(qū)域煤巖性質(zhì)變化，圍巖加固改性。煤巖體的物理力學性質(zhì)也是影響煤壁片幫的重要因素。煤體力學性質(zhì)較高的區(qū)域，煤壁的完整性一般較好，而在煤體物理力學性質(zhì)較為軟弱的區(qū)域，煤體易發(fā)生片幫，應采取煤壁加固措施，改善煤巖體物理性質(zhì)，提高煤壁穩(wěn)定性。

考慮到工作面存在一般區(qū)域與構(gòu)造異常區(qū)域，根據(jù)工作面在正?；夭膳c來壓期間圍巖條件，可通過合理調(diào)節(jié)推進速度、支架阻力和割煤高度來減輕工作面片幫情況。B1003W05 工作面初采期間、正常回采與來壓期間防治對策應用見表1。

表1 基于綜放工作面片幫防治的開采及支護參數(shù)Table 1 Suggested mining and support parameters based on the prevention and control of rib spalling in caving face

4 綜放工作面片幫控制效果

為驗證煤壁片幫防治措施的控制效果，對B1003W03 工作面處于一般區(qū)域，且正?；夭蓷l件下的煤壁進行探測，采用巖層窺視儀觀察孔內(nèi)裂隙情況分布，在B1003W03 工作面煤壁距離上端口位置為90、113、170m 處分別布置1 號、2 號、3 號3 個窺視鉆孔，如圖4 所示。

圖4 窺視鉆孔位置布置Fig.4 Peep hole location layout

對綜放工作面煤壁窺視結(jié)果進行對比分析，如圖5 所示。綜合90 m 測站、113 m 測站以及170 m測站窺視結(jié)果可知，工作面煤壁由淺到深主要分為破碎區(qū)、采動裂隙區(qū)、穩(wěn)定區(qū)。其中破碎區(qū)主要分布在煤層淺部區(qū)域，集中在0～0.2 m，破碎情況基本一致；工作面的采動影響作用容易使煤壁部分區(qū)域出現(xiàn)采動裂隙區(qū)，在鉆孔3 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)采動裂隙區(qū)，在鉆孔3.3～9 m，分布有極少數(shù)原生裂隙，煤層基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，不存在誘發(fā)煤壁發(fā)生片幫的風險。同時，為進一步驗證煤壁片幫防治措施的控制效果，對工作面現(xiàn)場煤壁進行了宏觀觀測，觀測結(jié)果顯示出煤壁整體穩(wěn)定性較好。

圖5 B1003W03 工作面煤壁鉆孔窺視結(jié)果Fig.5 Peeping results of coal wall drilling in No.B1003W03 Face

5 結(jié) 論

（1）通過煤壁片幫理論分析，得出沿剪切滑移面上的抗剪力與該滑移面上的滑動力比值小于1，煤壁發(fā)生剪切破壞，導致煤壁片幫的發(fā)生。

（2）分析了影響煤壁片幫的關(guān)鍵影響因素，提出合理確定工作面割煤高度、重視保障支架工作阻力以及圍巖加固改性的煤壁片幫防治措施，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，煤壁片幫得到了有效控制。