楊歲寒，喬 旺

（河南大有能源股份有限公司，河南 義馬 472300）

目前，我國(guó)厚煤層、特厚煤層通過(guò)對(duì)綜采放頂煤技術(shù)的充分應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了礦井安全、高產(chǎn)、高效生產(chǎn)。尤其在一些回采難度較大的煤層，綜采放頂煤技術(shù)得到了較快發(fā)展，如“三軟”、“兩硬”、“高瓦斯突出”、“大傾角”等特殊煤層。很多問(wèn)題隨著綜采放頂煤回采工作面高產(chǎn)、高效的生產(chǎn)而產(chǎn)生，如工作面煤墻片幫、回采工作面兩巷壓力顯現(xiàn)嚴(yán)重等，是制約礦井安全生產(chǎn)的重大隱患。當(dāng)所回采煤層的頂板屬堅(jiān)硬巖層，而煤體較軟和煤層底板屬軟巖的這類地質(zhì)構(gòu)造，就稱為“兩軟一硬”煤層。是繼三軟煤層（煤層頂板軟、煤體軟、煤層底板軟）特殊地質(zhì)條件開采之后，又一個(gè)需要解決的問(wèn)題〔1-4〕。煤壁片幫、端面距冒頂相互誘發(fā)，不利于斷面頂板穩(wěn)定是“兩軟一硬”煤層的主要特征。實(shí)現(xiàn)綜采放頂煤工作面安全、高產(chǎn)、高效生產(chǎn)并取得良好經(jīng)濟(jì)效益的前提是如何有效控制煤壁片幫，因此開展“兩軟一硬”不穩(wěn)定煤層綜采放頂煤工作面煤壁片幫機(jī)理及控制技術(shù)的研究具有重要的意義。

1 工作面概況

河南大有義安公司12040綜放工作面位于12采區(qū)中部，東臨二112030工作面，西臨二112050工作面，北至工作面切眼，南至一水平西翼膠帶大巷保護(hù)煤柱。地表丘陵、溝谷發(fā)育，無(wú)高大建筑物。該工作面底板標(biāo)高-314 m～-262m；地表標(biāo)高+332.4m～+363.2m，走向長(zhǎng)度649 m；傾斜可采長(zhǎng)度159m；煤層賦存不穩(wěn)定，煤層厚度為1.2～9.4m，平均5.3m，煤層傾角5°～10°，煤層較軟，煤層普氏硬度系數(shù)f=0.4～0.6，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅局部存在夾矸，夾矸多為厚0～0.8m 的泥巖或細(xì)砂巖；老頂約為厚21 m 的中-細(xì)粒石英砂巖，直接頂為厚2.3m 的細(xì)砂巖，直接底為厚1.61m 的砂質(zhì)泥巖，老底為黑灰色細(xì)砂巖，局部裂隙發(fā)育，約為8m。地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，在掘進(jìn)過(guò)程中實(shí)際揭露斷層8條，落差較小，均在0.3～1.9m 之間；采用走向長(zhǎng)壁后退式一次采全高全部垮落法管理頂板放頂煤采煤方法。

2 煤壁片幫形式及影響因素分析

2.1 煤壁片幫破壞形式分析

在回采工作面生產(chǎn)過(guò)程中，工作面的煤墻側(cè)承受壓力能力較低，是回采工作面支撐體系中的薄弱點(diǎn)，有時(shí)甚至無(wú)承載能力，因受其生產(chǎn)工藝限制及所處位置影響，煤壁無(wú)法處于三向受力狀態(tài)，因而會(huì)出現(xiàn)壓力失衡，產(chǎn)生煤壁片幫現(xiàn)象。煤壁的破壞形式有拉裂平破壞和剪切破壞兩種，是其在煤體自重、煤層頂板壓力以及回采活動(dòng)擾動(dòng)作用下的結(jié)果〔5-6〕（見(jiàn)圖1、圖2）。

圖1 煤壁片幫形式示意

圖2 煤壁剪切破壞分析

當(dāng)煤層煤質(zhì)脆而硬時(shí)，煤壁的主要破壞形式是拉裂破壞，煤壁容許變形量小是煤質(zhì)脆且較硬這類煤層的共同特性，在煤層上覆巖層頂板壓力與巖層自身重力的作用下，在煤體的橫向方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，致使煤體產(chǎn)生拉裂破壞〔7-8〕。

2.2 煤壁片幫影響因素分析

（1）煤體性質(zhì)。煤壁因承受支承壓力與橫向拉應(yīng)力二向力，并且存在自由面，工作面煤壁附近煤體的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，煤體被擠出，最終形成煤壁片幫。義安公司12040綜放工作面所開采煤層為二1 煤，該煤層較為松軟，煤體低強(qiáng)度、低承載能力、破碎、不穩(wěn)定等是煤墻片幫的主要因素。

（2）采高的影響。在回采工作面回采過(guò)程中，超前支承壓力在煤壁前方形成，一定深度內(nèi)的煤體受超前支承壓力的作用，呈格里菲斯強(qiáng)度破壞特征破壞。回采工作面采高越大，頂板的冒落越多，施加在煤壁上的壓力就越大。煤壁煤體外鼓量隨煤體強(qiáng)度的降低或超前支承壓力的增大而增多，當(dāng)煤壁所承受的壓力增加時(shí)，煤壁片幫的可能性就大大增加。

12040綜放工作面煤層賦存不穩(wěn)定，煤層厚度變化大，當(dāng)開采煤層較厚時(shí)，相對(duì)于薄煤層來(lái)說(shuō)，煤壁片幫程度更大。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型的建立

在工作面不同采放比和回采距離的條件下，研究不同采放比、回采距離分別對(duì)工作面煤壁片幫影響，從而建立了300m×75m×180m 模型。

根據(jù)綜放工作面實(shí)際地質(zhì)資料與工作面地質(zhì)柱狀圖描述，該工作面煤層傾角約為10°，屬于近水平煤層。

3.2 不同煤層厚度下煤壁片幫模擬

采高度為2.5m 時(shí)，煤厚分別為5.0m、6.5m、8.0m、9.5m。

（1）煤壁及前方煤體應(yīng)力分布特征。煤層厚度不同時(shí)，工作面煤體應(yīng)力分布特征見(jiàn)圖3～圖6。

圖3 煤厚5.0m 垂直應(yīng)力分布

圖4 煤厚6.5m 垂直應(yīng)力分布

圖5 煤厚8.0m 垂直應(yīng)力分布

圖6 煤厚9.5m 垂直應(yīng)力分布

由圖7可知，工作面超前應(yīng)力峰值點(diǎn)隨著煤層厚度的增加向前移動(dòng)；四種厚度煤層的應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.1、2.05、1.8、1.8，隨煤層厚度的增加而減小。這種情況是因?yàn)楫?dāng)煤層被開挖后，頂板覆巖的載荷部分作用在煤體上，當(dāng)煤壁較軟時(shí)，在覆巖壓力的作用下，煤壁的煤體很快被壓酥，煤體的剛度大大降低，當(dāng)覆巖壓力進(jìn)一步增大，超過(guò)了煤體自身的強(qiáng)度時(shí)，作用在煤體上的壓力就會(huì)向煤體深處轉(zhuǎn)移。通過(guò)模擬可知，應(yīng)力峰值距煤壁的距離與煤層厚度成正比，煤層厚度越大，煤壁發(fā)生片幫的可能性就越大，模擬結(jié)果與實(shí)際應(yīng)力峰值基本吻合。

圖7 垂直應(yīng)力分布曲線

（2）水平移動(dòng)分布特征。當(dāng)不同煤層厚度條件下，工作面煤體水平移動(dòng)分布特征見(jiàn)圖8～圖11。

圖8 煤厚5.0m 時(shí)水平移動(dòng)分布

圖9 煤厚6.5m 時(shí)水平移動(dòng)分布

圖10 煤厚8.0m 時(shí)水平移動(dòng)分布

圖11 煤厚9.5m 時(shí)水平移動(dòng)分布

為深入研究煤壁片幫，煤壁煤體片幫的深度可以用煤體水平拉裂率的大小來(lái)分析，煤體水平拉裂率是水平單位長(zhǎng)度內(nèi)兩點(diǎn)水平位移的差值，公式為v=Δl／l，該公式可以用來(lái)表示兩點(diǎn)之間位移的大小（見(jiàn)圖12、圖13）。

圖12 煤壁最大水平位移量與煤層厚度的關(guān)系

圖13 煤體的水平拉裂率與煤層厚度的關(guān)系

由圖12、圖13可得，工作面煤壁最大水平位移量隨煤層厚度的增加而增大；煤層最大水平拉裂率為0.19、0.20、0.23、0.26，而且煤體離層最大位置分別位于煤壁前部0.76m、1.1m、1.5m、1.63m；由此可知，煤壁煤體的最大水平位移量大小、煤體最大水平拉裂率與煤層厚度有關(guān)，煤層厚度與煤體最大水平位移量、煤體最大拉裂率成正比，并且最大水平拉裂率的位置隨煤壁的厚度增厚離煤壁越遠(yuǎn)。

3.3 不同推進(jìn)距離下煤壁片幫模擬

機(jī)采高度為2.5m 的回采工作面，回采距離分別取20 m、30m、40m、50m。

（1）煤壁附近煤體應(yīng)力分布特征

圖14 不同回采距離垂直應(yīng)力分布曲線

由圖14可得，當(dāng)工作面分別回采20m、30m、40m、50 m 時(shí)，工作面前方最大垂直應(yīng)力峰值分別在工作面前5.5 m、6.1m、7.6 m、9.7 m 處，應(yīng)力值分別約為13.2 MPa、14.8 MPa、17.7 MPa、21.8 MPa。工作面前方煤體的垂直應(yīng)力峰值隨著工作面推進(jìn)距離的增大而變大，垂直應(yīng)力峰值距工作面煤體的距離就越遠(yuǎn)，工作面煤墻片幫的可能性就越大。

由壓力拱的原理可知，煤層上覆巖層的破壞程度及高度隨著工作面推進(jìn)距離的增大而增大，工作面煤體承受的相應(yīng)壓力就越大，一般情況下，從工作面初次放頂?shù)嚼享數(shù)谝淮沃芷趤?lái)壓時(shí)期內(nèi)，壓力拱逐漸增大，煤體所承受的壓力就越大。在后期垮落帶高度相對(duì)穩(wěn)定、老頂按周期斷發(fā)生裂下沉后，工作面前方垂直應(yīng)力的峰值與上覆巖層老頂?shù)臄嗔验L(zhǎng)度有關(guān)。

（2）煤壁水平移動(dòng)分布特征

由圖15、圖16可得，當(dāng)推進(jìn)距離是20m、30m、40m、50m 時(shí)對(duì)應(yīng)的最大水平位移是275.3mm、322mm、367.5 mm、426.5 mm，煤體最大水平拉裂率是0.097、0.109、0.156、0.178，而且煤體最大離層位置在煤壁前方0.22m、0.41m、0.65m、0.76m。由此得出，隨著工作面推進(jìn)長(zhǎng)度的加大，工作面煤墻的最大拉裂率與水平移動(dòng)量變大，拉裂位置也隨著推進(jìn)距離的增大而離煤墻越來(lái)越遠(yuǎn)。

圖15 煤壁最大水平位移量與推進(jìn)距離的關(guān)系

圖16 工作面前方煤體的水平拉裂率與推進(jìn)距離的關(guān)系

4 煤壁片幫控制措施

通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析和結(jié)合實(shí)際綜放工作面情況，提出如下解決或緩解煤體片幫問(wèn)題的手段。

1）提高放頂煤厚度。根據(jù)煤體片幫數(shù)值模擬結(jié)果和影響因素分析，片幫程度和幾率與放頂煤厚度成反比，通過(guò)減少采煤機(jī)采高，提高放頂煤厚度，工作面片幫程度可以得到有效緩解，因此盡可能提高放頂煤厚度，從而降低采煤機(jī)采高，使采煤機(jī)采高控制在2.5m 以下。

2）加快工作面推采速度。通過(guò)加快工作面的推采速度，減少工作面煤壁裸露時(shí)間，降低煤體風(fēng)化、變形及受支承壓力對(duì)其的破壞程度，從而提高煤體的穩(wěn)定性。

3）加強(qiáng)支架護(hù)幫、護(hù)頂裝置使用管理。通過(guò)加強(qiáng)支架護(hù)幫、護(hù)頂裝置使用管理，移動(dòng)支架后及時(shí)使支架接頂，并伸展護(hù)幫板，及時(shí)護(hù)頂、護(hù)幫，減少煤壁煤體的裸露時(shí)間和頂煤的裸露時(shí)間與范圍；并保證支架一次移動(dòng)到位，避免反復(fù)移動(dòng)造成頂板破碎。

4）減少截割深度?；夭晒ぷ髅嬉坏┌l(fā)生片幫，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整采煤機(jī)截割深度，通過(guò)減少截割深度提高采煤機(jī)牽引速度，減少對(duì)煤體的破壞，從而減輕煤壁片幫。

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