王 彥

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

在我國，厚煤層資源儲(chǔ)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(shù)煤炭采出率高、生產(chǎn)能力大、開采工序簡(jiǎn)單，是厚煤層開采的發(fā)展趨勢(shì)。但是，由于工作面采高的增加，煤壁片幫現(xiàn)象更加嚴(yán)重，最嚴(yán)重的可達(dá)1m甚至幾米，對(duì)工作面的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重的威脅。對(duì)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(hù)幫裝置等[1]。本文以馬蘭礦18506工作面實(shí)際生產(chǎn)條件為工程背景，利用理論分析的方法，對(duì)工作面煤壁的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并提出合理的控制方案，為工作面安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 工作面概況

馬蘭礦18506工作面位于南五采區(qū)，主采8號(hào)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度穩(wěn)定，屬于近水平厚煤層。在工作面回采過程中，時(shí)常發(fā)生煤壁片幫現(xiàn)象，給工作面的安全生產(chǎn)帶來極大的安全隱患，嚴(yán)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(xué)分析

在工作面回采前，煤層受三向應(yīng)力作用，頂部受到上覆巖層作用，其垂直應(yīng)力大小為γH，對(duì)應(yīng)的水平應(yīng)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(yīng)力變?yōu)槎蚧蛘邌蜗驊?yīng)力狀態(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(qiáng)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(dòng)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(nèi)聚力，取2.2MPa；

φm-煤層內(nèi)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(hù)強(qiáng)度，MPa；

ζ-三軸應(yīng)力系數(shù)，有

若不考慮煤壁的護(hù)幫力，取煤壁的支護(hù)強(qiáng)度P為0MPa時(shí)，塑性區(qū)寬度為5.42m。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐，工作面煤壁片幫現(xiàn)象嚴(yán)重，可選用支架合理的護(hù)幫裝置來保證煤壁的穩(wěn)定性。

2.2 煤壁片幫高度預(yù)測(cè)

根據(jù)壓桿理論，對(duì)煤壁受力情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立力學(xué)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?qū)γ罕诘淖饔昧?。則根據(jù)相關(guān)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(shí)際生產(chǎn)條件，工作面采高為6.05m，則煤壁最大破壞位置應(yīng)位于距離底板3.93m處。因此，護(hù)幫板高度不得低于2.12m。

2.3 煤壁片幫深度預(yù)測(cè)

為了求出煤壁的片幫深度，可以通過以下兩種方法進(jìn)行計(jì)算分析。

（1）根據(jù)塑性區(qū)范圍

通過前面的計(jì)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(duì)煤壁片幫深度進(jìn)行預(yù)測(cè)，其表達(dá)式為：

式中：

B-煤壁片幫深度，m；

N-相關(guān)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(dá)式為：

式中，各符號(hào)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(nèi)摩擦角對(duì)煤壁片幫的影響，所得結(jié)果與實(shí)際相比偏大，為使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)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(jì)算方法的結(jié)果可知，兩種方法所得結(jié)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(shí)際條件，為提高煤壁穩(wěn)定性，保障工作面的生產(chǎn)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(xué)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(duì)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(jì)算表達(dá)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(dāng)頂板所受載荷保持不變時(shí)，工作面壓力由支架和煤壁共同承擔(dān)，適當(dāng)增加支架工作阻力，可減少煤壁所受壓力，加強(qiáng)煤壁穩(wěn)定性。

（2）加快推進(jìn)速度。通過以往開采經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)工作面推進(jìn)速度較慢時(shí)，煤壁前方支承壓力作用時(shí)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(shí)際生產(chǎn)中，可適當(dāng)加快工作面的推進(jìn)速度，對(duì)減弱支承壓力影響、增強(qiáng)煤壁穩(wěn)定性有著重要作用。

（3）注漿加固煤壁。當(dāng)工作面經(jīng)過斷層或其他地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，圍巖較為破碎，使煤壁片幫的可能性大幅增加。此時(shí)，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(qiáng)度；同時(shí)，也可以適當(dāng)降低采高，加快推進(jìn)速度，快速通過斷層影響區(qū)域，保障工作面安全生產(chǎn)。

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

圖3 煤壁片幫簡(jiǎn)化模型

由圖可以看出，將失穩(wěn)煤壁簡(jiǎn)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(duì)圖3所示力學(xué)模型進(jìn)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(hào)含義與前面相同。

為簡(jiǎn)化運(yùn)算，將均布載荷q視為力F，建立力學(xué)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(yīng)力集中系數(shù)，可取3；

q1-護(hù)幫力，MPa；

μ1、μ2、μ3-分別為護(hù)幫板與圍巖、煤與側(cè)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(hào)含義與前面相同。

將以上三式聯(lián)立，可得支架的護(hù)幫力應(yīng)為：

將數(shù)據(jù)代入，可得支架的護(hù)幫力應(yīng)為0.185MPa。

4 結(jié)論

根據(jù)馬蘭礦18506大采高綜采工作面實(shí)際地質(zhì)條件，對(duì)工作面煤壁的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）通過理論計(jì)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(yán)重；

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

（3）結(jié)合工作面實(shí)際條件，提出煤壁片幫的控制措施，應(yīng)適當(dāng)增加支架工作阻力、加快工作面推進(jìn)速度、對(duì)圍巖破碎段進(jìn)行注漿加固、確定合理的護(hù)幫力為0.185MPa，為工作面的安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。