鄭 超，程 濤，雷武林

(1.隴東學(xué)院能源工程學(xué)院,甘肅慶陽745000;2.晉煤集團趙莊煤礦,山西長治046300)

松軟煤層大采高工作面煤壁片幫防治技術(shù)研究

鄭 超1，程 濤2，雷武林1

(1.隴東學(xué)院能源工程學(xué)院,甘肅慶陽745000;2.晉煤集團趙莊煤礦,山西長治046300)

根據(jù)趙莊礦5302大采高工作面的實際生產(chǎn)狀況，從煤體的強度，開采深度與高度，推進速度與頂板壓力、液壓支架的支撐狀態(tài)等方面分析了松軟煤層大采高工作面煤壁片幫的機理和影響因素。提出趙莊礦5302工作面采用“提高煤體強度+提高初撐力+加快推進速度+優(yōu)化液壓支架的護幫機構(gòu)”等措施防治煤壁片幫，取得良好的技術(shù)經(jīng)濟效益。

大采高工作面；松軟煤層；煤壁片幫；初撐力

隨著中西部厚煤層的大規(guī)模開發(fā)及大功率煤機成套設(shè)備的發(fā)展，促使大采高一次采全高采煤工藝逐漸成為國內(nèi)開采厚煤層的第一選擇。大采高采煤工藝具有生產(chǎn)能力大、設(shè)備搬家倒面次數(shù)少和經(jīng)濟效益好等優(yōu)點[1-3]。但理論研究及生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，采高變大造成采場支架—圍巖系統(tǒng)穩(wěn)定性差、礦山壓力顯現(xiàn)劇烈，主要表現(xiàn)為煤壁暴幫、片幫嚴重[4]。從力學(xué)機理分析煤壁片幫是由于煤體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力集中致使煤壁次生裂隙發(fā)育。頂板初次及周期性斷裂來壓，破斷巖塊產(chǎn)生回轉(zhuǎn)[5]，煤體在支承壓力和老頂回轉(zhuǎn)壓力的雙重作用下表面會產(chǎn)生較大的橫向拉應(yīng)力，堅硬煤體發(fā)生張拉破壞，松軟煤體發(fā)生剪切破壞[6-7]。根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)不同工作面前方煤體分為3個區(qū)：即破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)[8]，如圖1所示。煤壁片幫造成空頂距變大容易引發(fā)局部冒頂并影響工作面的安全生產(chǎn)。趙莊礦5302大采高工作面煤質(zhì)松軟、節(jié)理裂隙發(fā)育，因此開展煤壁片幫防治技術(shù)研究十分必要。

Ⅰ-破裂區(qū)；Ⅱ-塑性區(qū)；Ⅲ-彈性區(qū)圖1 工作面前方煤體變形區(qū)域示意圖

1 基本情況

1.1 工作面狀況

趙莊礦5302工作面煤層埋深為463.9～633.9m，煤層賦存穩(wěn)定、節(jié)理裂隙較發(fā)育，煤層厚度為4.2～4.7m，煤層傾角1°～15°，平均8°。工作面采用走向長壁大采高一次采全高全部垮落綜合機械化采煤法，開采厚度4.6m。工作面煤體抗壓強度最大13.7MPa、最小4.3MPa，平均為10.3MPa；抗拉強度最大0.15MPa、最小0.07MPa，平均為0.10MPa，煤體整體松軟，強度較低。

1.2 頂、底板巖層性質(zhì)

表1 5302工作面頂?shù)装鍘r性

1.3 煤壁片幫統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)趙莊礦5302工作面煤壁片幫以剪切破壞為主。隨著工作面的持續(xù)推進，煤壁片幫幾乎伴隨工作面開采的全部過程，甚至在停采期間煤壁片幫更加嚴重?，F(xiàn)場實測表明，煤壁片幫形式多樣，程度不一，主要是為沿頂部的單斜剪切和沿中部的似共軛剪切，如圖2所示。其中(a)形式較為常見，(b)形式次之，(c)形式也有發(fā)生，工作面片幫統(tǒng)計見表2。

(a) (b)(c)圖2 片幫形式示意圖

通過5302工作面來壓期間和非來壓期間對比分析，現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，在煤壁的片幫深度、片幫垂直高度和范圍等方面，來壓期間比非來壓期間均有較大程度的加重，最顯著的分布在工作面中部。周期來壓期間片幫最大深度達1000mm，垂直高度最高可達4600mm，煤壁表面和深部分別出現(xiàn)“啪啪”和“嘭嘭”的聲響并伴有表面暴幫和掉渣現(xiàn)象，充分說明上覆巖層的礦山壓力對煤壁片幫產(chǎn)生較嚴重影響。工作面片幫具體統(tǒng)計如下：

按片幫深度計算：片幫深度在0.2～0.5m范圍的占總數(shù)的91%(其中0.5m左右占總統(tǒng)計片幫數(shù)的30%)，0.5～1.0m范圍占8%；

按片幫高度計算：片幫高度在0.4～1.0m范圍的占總數(shù)的43%(其中1.0m左右占總統(tǒng)計片幫數(shù)的39%)，1.0～2.0m范圍占47%，2.0～4.6m范圍占11%；

按片幫寬度計算：小于2架的占總統(tǒng)計片幫數(shù)的23.7%，2架～5架范圍占32.59%，片幫寬度大于5架的占8.89%。

表2 工作面片幫統(tǒng)計

2 煤壁片幫的因素及分析

2.1 煤體強度

趙莊礦5302工作面煤體變形指標彈性模量為2.97GPa，泊松比為0.32；強度指標內(nèi)聚力為2.06MPa，內(nèi)摩擦角為36°26′。煤體平均抗拉強度與抗壓強度分別為0.1MPa和10.4MPa，抗壓與抗拉強度比值為104，煤體強度較低且脆性十足。煤層和頂?shù)装骞?jié)理裂隙發(fā)育、密度大、節(jié)理面平直且裂隙緊密無充填，其中以走向45～60°方向分布最多。

2.2 開采深度與高度

在一定條件下，工作面煤壁片幫深度與開采高度呈非線性增長，特別是當采厚超過4.0m后，煤壁片幫深度急劇增加[9]，如圖3所示。同時影響采場超前支承壓力分布的主要因素為開采深度和高度[10]，隨著開采深度的增加，工作面超前支承壓力峰值點距煤壁的距離呈對數(shù)增長，應(yīng)力峰值也明顯增大；隨著采高的增加，煤壁超前支承應(yīng)力的影響范圍更大、支承壓力集中系數(shù)K增加，導(dǎo)致煤體附件產(chǎn)生大范圍的塑性區(qū)和破裂區(qū)。5302工作面平均埋深500m、開采高度為4.6m，實測超前支承壓力影響范圍為60m，距煤壁20m左右影響劇烈，支承壓力峰值位于煤壁前方8.6m左右，應(yīng)力集中系數(shù)2.14～2.27，破裂區(qū)寬度2.14m。

圖3 采高與煤壁片幫深度的關(guān)系

2.3 頂板來壓與推進速度

大采高工作面割煤速度慢、正規(guī)循環(huán)周期較長，煤壁長時間裸露，導(dǎo)致支承壓力對煤體的作用時間增加。而且推進速度緩慢導(dǎo)致周期來壓的次數(shù)增加，來壓的沖擊引發(fā)煤壁處煤體的穩(wěn)定性下降、片幫加劇。采高越大、回采空間越大，直接頂和老頂層位向上移動，直接頂冒落高度增加，老頂在高位覆巖中形成砌體梁結(jié)構(gòu)的可能性變小、來壓時老頂斷裂容易發(fā)生變形或回轉(zhuǎn)失穩(wěn)。5302工作面老頂初次來壓步距為15.4～25m。初次來壓期間動載系數(shù)為1.16～2.82。周期來壓期間動載系數(shù)為1.08～2.82。來壓期間煤壁多處片幫，片幫深度在0.5～1.5m之間，機頭懸頂3.5～6m左右(二階段機頭懸頂4.0～8.0m左右)，機尾懸頂基本垮落。

2.4 液壓支架的初撐力和工作阻力

在工作面的支護體系中液壓支架舉足輕重，從橫向分析、工作面頂板壓力由采空區(qū)矸石、液壓支架和煤壁共同承擔，大采高工作面垮落的矸石一般無法充滿采空區(qū)，因此當液壓支架初撐力不足時，上覆巖層壓力就會向煤壁轉(zhuǎn)移，超前支承壓力超過煤壁的極限強度時，煤壁發(fā)生變形破壞。趙莊礦5302工作面支架初撐力偏低。初撐力最大和最小分別為6088kN和58.9kN，平均初撐力為2611.43kN，占額定初撐力(7916kN)的32.99%，支架的初撐力不足2000kN占72.3%，初撐力普遍偏低，見表3。分析其主要原因有：(1)工作面加長后，管路壓損增加；(2)液壓系統(tǒng)管路密封不嚴，存在漏液、串液；(3)支架工為了提高工作效率，升架時間過短，支柱未達到額定初撐力時關(guān)閉了供液系統(tǒng)；(4)部分支架歪倒、傾斜，支架頂梁與直接頂接觸不佳，造成支架初撐力沒有充分發(fā)揮主動支護的作用。

表3 初撐力分布表

3 大采高煤壁片幫防治措施

3.1 提高煤體強度

考慮到5302大采高工作面煤層松軟、強度低，為提高煤體強度和頂板完整性，防治工作面過斷層及復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域煤壁片幫引發(fā)的大面積冒頂，在松軟煤體內(nèi)部原生裂隙尚未因采動影響發(fā)展之前，采用滲透能力強、固結(jié)強度較高的馬麗散，對探明的復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域在順槽進行超前注漿加固，超前加固工作面煤體，較好地控制了煤壁片幫，有效保證5302工作面安全高效生產(chǎn)。

3.2保證液壓支架的支撐力

趙莊礦5302工作面采用ZY12000/28/62D型兩柱掩護式液壓支架，支架支撐高度為2.8～6.2m。ZY12000/28/62D型支架較ZY8640/25.5/55型支架對頂板的支護性能要好。生產(chǎn)現(xiàn)場通過提高乳化液泵站的供液壓力，減小管路的壓力損失；安排專門人員檢查液壓管路特別是管線接頭處存在漏液卸壓的現(xiàn)象，同時按照操作標準培訓(xùn)支架工保證充足的初撐力和合適的支架狀態(tài)。提高支架初撐力后，極大地減小了移架后頂板的初期下沉量，減緩直接頂和老頂離層，改善工作面頂板狀況，形成老頂—直接頂—支架—底板支護體系，煤壁受力減小，煤壁片幫得到緩解。

3.3 適當加快工作面的推進速度

根據(jù)來壓期間上覆巖層移動變形規(guī)律和工作面實測結(jié)果，老頂來壓期間煤壁片幫加劇。雖然加快工作面的推進速度不能甩掉礦山壓力，但是在一定程度上工作面的推進速度與老頂周期來壓相互影響。5302工作面推進速度由原來的6.3m/d加快到9.5m/d，老頂周期來壓步距由8.9m變?yōu)?2.8m，使得周期來壓次數(shù)減小，減少超前支承壓力和老頂回轉(zhuǎn)對煤體的作用時間，降低上覆巖層對煤壁上端的作用力，頂板的下沉量和下沉速度減小，煤壁的穩(wěn)定性得到提高。

3.4 優(yōu)化液壓支架的護幫機構(gòu)

對于大采高工作面，采煤機割煤向前推進時，液壓支架要對新裸露的頂板進行及時支護，減小空頂距，向煤壁作用側(cè)向力，改善煤壁圍巖應(yīng)力，讓煤壁處于近似三向應(yīng)力狀態(tài)，減少煤壁片幫。趙莊煤礦采用的ZY12000/28/62D支架護幫板由兩級護幫組成，一級、二級護幫板均為整體剛性結(jié)構(gòu)，是一種簡單的焊接板件，它和護幫千斤頂鉸接，由護幫千斤頂來抵抗來自煤壁的側(cè)向壓力。一級護幫板上底1.132m，下底1.250m，高1.4m。支護幫面積1.67m2；支護強度0.147MPa；二級護幫板上底1.2m，下底1.3m，高1m。支護幫面積1.25m2；支護強度0.153MPa，壁煤片幫得到了有效的緩解。特別保護煤壁最容易發(fā)生片幫的0.65倍的釆高處[11]，加強對該處煤幫的護幫，控制煤幫水平位移，可有效防止片幫。

4 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)影響趙莊煤礦3#煤層大采高綜采工作面煤壁片幫的主要因素有煤體強度低(10.3MPa)、采高較大(4.6m)，埋深(500m)、工作面推進速度較慢6.3m/s和液壓支架的初撐力和工作阻力不足等。因此在實際生產(chǎn)中5302工作面通過在復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域加固煤體、提高煤體強度，適當加快工作面的推進速度到9.5m/d，提高液壓支架的初撐力，優(yōu)化液壓支架護幫機構(gòu)等預(yù)防措施，煤壁片幫的深度和高度得到有效的控制。

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【責任編輯 答會明】

Study on the Control Technique for Rib Spalling in Large Mining Height Workface

ZHENG Chao1, CHENG Tao2, LEI Wu-lin1

(1.SchoolofEnergyEngineering,LongDongUniversity,Qingyang745000Gansu; 2.ZhaoZhuangCoalMineofJinChengAnthraciteMingGroup,ChangZhi046300,ShanXi)

Based on the actual condition of 5302 large mining height workface in Zhaozhuang Coal Mine, this paper analyzes the mechanism and influencing factors of rib spalling from the aspects of strength, mining depth and height, propulsion speed and roof pressure and supporting status of hydraulic support in soft coal seam. We propose to adopt the measures of improving the strength of coal + increasing the initial support force + speeding up the speed + optimizing the retaining structure of the hydraulic support to control the rib spalling and to help achieving good technical and economic benefits.

large mining height; soft coal seam; rib spalling; setting load

1674-1730(2017)01-0100-04

2016-11-13

隴東學(xué)院青年科技創(chuàng)新項目《基于AHP的煤炭地下氣化可行性研究》(XYZK1611)

鄭 超(1987—)，男，甘肅慶陽人，助教，碩士，主要從事礦山壓力與巖層控制方面的教學(xué)與研究。

TD323

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