王海洋

(山西中鋼煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033400)

0 引言

隨著我國(guó)科技水平的提高，礦井機(jī)械化水平以及設(shè)備能力有了很大的提升，對(duì)于一些厚煤層，大采高一次采全高開(kāi)采方式在許多礦井開(kāi)始普及，工作面開(kāi)采高度也在不斷增大，礦井經(jīng)濟(jì)效益與開(kāi)采效率有了巨大的提升[1-2]。隨著工作面采高的增大，煤層開(kāi)采后頂板垮落所需充填的空間增大，導(dǎo)致頂板垮落高度有一定增加，頂板下沉回轉(zhuǎn)將會(huì)產(chǎn)生載荷并作用于煤體上，當(dāng)載荷超過(guò)煤體自身的承載極限時(shí)，煤體將被破壞，形成煤壁的片幫現(xiàn)象[3-5]。雖然大采高工作面對(duì)礦井的生產(chǎn)效率有很大的提升，但在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，工作面煤壁的穩(wěn)定性較差，煤壁破損情況比較嚴(yán)重，對(duì)工作面的安全、高效生產(chǎn)產(chǎn)生很大的影響[6-8]。針對(duì)大采高工作面煤壁片幫嚴(yán)重的問(wèn)題，以山西斜溝煤礦大采高工作面地質(zhì)條件為背景，對(duì)煤壁片幫機(jī)理進(jìn)行分析，并提出了煤壁控制技術(shù)，以保證工作面的生產(chǎn)效率。

1 礦井概況及煤壁片幫機(jī)理分析

1.1 礦井概況

山西斜溝煤礦生產(chǎn)能力為1 000萬(wàn)t，主采煤層為5-2煤，煤層的厚度平均為6.5 m，煤層傾角較小，平均為3°。煤層的埋深平均為150 m，煤層的頂?shù)装迩闆r如圖1所示，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。85201工作面開(kāi)采高度為6.6 m，工作面傾斜長(zhǎng)度為280 m，在工作面開(kāi)采范圍內(nèi)無(wú)大型構(gòu)造存在，地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單。根據(jù)對(duì)工作面煤體的物理力學(xué)試驗(yàn)，煤體抗壓強(qiáng)度為19.3 MPa，屬于中硬煤層。工作面頂?shù)装迩闆r如圖1所示。

圖1 工作面頂?shù)装逯鶢顖D

1.2 煤壁片幫機(jī)理分析

片幫現(xiàn)象出現(xiàn)的原因及分析：工作面在開(kāi)采的過(guò)程中，會(huì)改變周?chē)鷰r體的應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)平衡后巖體承受的應(yīng)力超過(guò)其極限抗壓強(qiáng)度，巖體將發(fā)生破壞。煤壁開(kāi)采過(guò)程中，隨著頂板懸露長(zhǎng)度的增加，煤體承受的壓力也在逐漸增大，導(dǎo)致片幫現(xiàn)象出現(xiàn)[9-10]。對(duì)工作面煤壁進(jìn)行受力分析，煤體主要承受頂板的集中應(yīng)力及頂板與煤層之間的摩擦力Ff，一般煤壁片幫按煤體承受的集中應(yīng)力與Ff的大小關(guān)系主要分為以下兩種情況。

煤體承受的集中應(yīng)力大于Ff時(shí)：若將煤壁視為一端為固定支撐、另一端為懸臂的梁體結(jié)構(gòu)，該梁體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，其中p為頂板對(duì)煤壁的壓力，M為彎矩。煤壁撓度的最大位置在頂板與煤壁相接觸點(diǎn)，為

(1)

式中：q—均布載荷，kN/m；h—煤壁受力的高度，m；E—煤體的彈性模量，kN/m2；I—煤體的慣性矩，m4。

煤體承受的集中應(yīng)力小于Ff時(shí)：若將煤壁視為一端為固定支撐、另一端為簡(jiǎn)支的梁體結(jié)構(gòu)，該梁體結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。則煤壁撓度的最大位置在煤體的中部，為

(2)

85201工作面煤壁片幫情況：根據(jù)對(duì)85201工作面推進(jìn)過(guò)程中煤壁片幫情況的統(tǒng)計(jì)，煤壁片幫主要在兩個(gè)位置，分別為煤壁的最高點(diǎn)與煤壁高度為3.5 m處，這與理論分析基本吻合。當(dāng)煤壁最高點(diǎn)出現(xiàn)片幫時(shí)，片幫深度平均為0.6 m，當(dāng)煤壁中部出現(xiàn)片幫時(shí)，片幫深度平均為0.55 m。

圖2 第一種受力模型

圖3 第二種受力模型

2 煤壁片幫機(jī)理及控制措施

2.1 煤壁片幫機(jī)理

為進(jìn)一步分析煤壁片幫的機(jī)理與影響因素，采用UDEC數(shù)值模擬軟件對(duì)大采高工作面煤壁的破壞過(guò)程進(jìn)行分析。模型建立準(zhǔn)則選為庫(kù)倫-摩爾模型，模型頂面施加載荷來(lái)模擬上覆巖層重量，模型的兩側(cè)分別設(shè)為位移與速度邊界，底面為固定面。本次模擬主要分析煤層在不同采高、推進(jìn)速度以及支護(hù)強(qiáng)度下的破壞情況。

采高的影響：圖4展現(xiàn)了工作面的采高分別為4 m、5 m、6 m下煤壁內(nèi)應(yīng)力分布情況。從圖中可以看出，在工作面推進(jìn)的過(guò)程中，在煤壁超前區(qū)域會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中情況，形成支承壓力峰值，并且在支承壓力的作用下，煤壁表面出現(xiàn)一定程度的破壞。從圖4中可以看到，在不同的采高下，煤壁前方的超前支承壓力峰值并不相同，當(dāng)工作面采高分別為4 m、5 m、6 m時(shí)，煤壁內(nèi)應(yīng)力峰值分別為10.3 MPa、13.5 MPa、15.6 MPa，表明隨著工作面采高的增大，煤體承受的應(yīng)力在逐步增大。從片幫情況可以看出，采高的增大，工作面煤壁的片幫情況也在加劇。

支護(hù)強(qiáng)度的影響：圖5為工作面采高相同時(shí)煤壁在不同的支護(hù)條件下的位移矢量圖。從圖中可以看出，工作面煤壁在不同的支護(hù)強(qiáng)度下，煤壁片幫情況也有著一定的差異。當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度為1 MPa時(shí)，煤壁外擴(kuò)距離較大，在支護(hù)強(qiáng)度提高后，煤壁外擴(kuò)距離明顯減小，煤壁的穩(wěn)定性也有了較大的提高。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，增大工作面煤壁的支護(hù)強(qiáng)度可減小煤壁的破壞情況，減少片幫現(xiàn)象的出現(xiàn)。因此優(yōu)化工作面煤壁的支護(hù)控制措施，可在一定程度上減少煤壁片幫情況。

圖4 不同采高下煤壁內(nèi)應(yīng)力分布情況

圖5 不同支護(hù)強(qiáng)度下煤壁破壞情況

工作面推進(jìn)速度的影響：數(shù)值模擬軟件中，工作面的推進(jìn)速度主要根據(jù)模型運(yùn)算步數(shù)來(lái)決定，圖6為工作面在不同推進(jìn)速度下的煤壁片幫情況圖。從圖中可以看出，不同的工作面推進(jìn)速度下，煤壁的片幫深度和片幫面積有著較大的變化。當(dāng)工作面推進(jìn)速度自3.6 m/d增大到6.0 m/d時(shí)，煤壁片幫的深度與面積均在減小，并且變化范圍加大，當(dāng)工作面推進(jìn)速度大于6.0 m/d后，煤壁片幫深度與片幫面積基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。這是由于工作面推進(jìn)速度的增大，受頂板載荷作用的煤體范圍出現(xiàn)一定的變化，工作面推進(jìn)速度越大，受頂板載荷作用的煤體體積越小，煤壁片幫現(xiàn)象便可減輕。因此根據(jù)工作面情況可適當(dāng)提高工作面的推進(jìn)速度，有利于減少片幫現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖6 不同推進(jìn)速度下煤壁片幫情況

2.2 煤壁控制措施

控制采高及支架調(diào)整：由于采高增大容易導(dǎo)致煤壁承受壓力增大，因此工作面在推進(jìn)過(guò)程中需控制開(kāi)采高度。對(duì)整個(gè)工作面開(kāi)采范圍的煤層高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，提前預(yù)判采高的變化，當(dāng)工作面推進(jìn)到采高變化較大的位置時(shí)，要及時(shí)調(diào)整支架的高度，對(duì)頂板進(jìn)行及時(shí)支撐。若推進(jìn)至煤層采高較大區(qū)域的時(shí)候，支架可以不進(jìn)行升架，在頂板留有一定高度的浮煤，保證工作面平穩(wěn)通過(guò)。

增大煤壁支護(hù)強(qiáng)度：增大煤壁支護(hù)強(qiáng)度可以減小煤壁的片幫情況，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)工作面支護(hù)強(qiáng)度為2 MPa時(shí)，煤壁位移較小。工作面推進(jìn)過(guò)程中，支架擋板要及時(shí)升起，保護(hù)煤壁的整體性。由于增大支架的支撐力后，會(huì)減小頂板載荷對(duì)煤體的作用，因此提高支架的工作阻力也可改善工作面煤壁情況，提高工作面的穩(wěn)定性。

調(diào)整工作面推進(jìn)速度：數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)工作面推進(jìn)速度小于6.0 m/d的時(shí)候，煤壁片幫情況變化較大，煤壁片幫程度隨著推進(jìn)速度的增大而逐漸減??；當(dāng)工作面推進(jìn)速度大于6.0 m/d時(shí)，煤壁片幫深度與面積變化程度減小，此時(shí)再繼續(xù)增大推進(jìn)速度，煤壁片幫情況并不會(huì)有太好的改善。根據(jù)此結(jié)果，將工作面的推進(jìn)速度調(diào)整為6.0 m/d，從而減弱煤壁片幫情況，同時(shí)可提高工作面的推進(jìn)效率。

其他措施：除了上述煤壁片幫控制方法外，要加強(qiáng)對(duì)工作面的礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)對(duì)工作面出現(xiàn)來(lái)壓的時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)工作面處于來(lái)壓狀態(tài)時(shí)，提高支架的支撐力并且提高對(duì)煤壁的保護(hù)能力。當(dāng)工作面經(jīng)過(guò)斷層、陷落柱等構(gòu)造發(fā)育地帶時(shí)，采取注漿的方法對(duì)煤壁巖體進(jìn)行加固，提高煤壁整體的強(qiáng)度，注漿材料可選為黏土水泥漿等。

實(shí)踐監(jiān)測(cè)：在煤壁控制措施確定后在85201工作面現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)踐，并對(duì)工作面推進(jìn)過(guò)程中煤壁的片幫情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，在工作面整個(gè)范圍內(nèi)，煤壁片幫情況有較大改善，工作面推進(jìn)過(guò)程中僅在局部位置出現(xiàn)片幫情況，且片幫的面積和深度均較小，表明該控制措施能夠提升煤壁穩(wěn)定性。煤壁片幫情況改善后，工作面的推進(jìn)效率有了較大的提升，整個(gè)礦井的經(jīng)濟(jì)效益也有較大提升。

3 結(jié)論

(1)采用理論分析方法對(duì)工作面煤壁片幫機(jī)理進(jìn)行了研究，通過(guò)分析煤體的受力情況，對(duì)兩種煤壁片幫的方式進(jìn)行了分析，從而得到大采高工作面煤壁片幫特征。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作面片幫情況的監(jiān)測(cè)記錄，煤壁片幫主要的兩個(gè)位置分別為煤壁的最高點(diǎn)與煤壁高度為3.5 m位置處，這與理論分析結(jié)果基本一致，表明理論分析結(jié)果較為準(zhǔn)確。

(2)通過(guò)數(shù)值模擬方法，對(duì)工作面在不同的開(kāi)采高度、支護(hù)強(qiáng)度以及推進(jìn)速度下煤壁的片幫情況進(jìn)行了分析，針對(duì)性地在工作面采高、推進(jìn)速度與煤壁支護(hù)強(qiáng)度等方面提出了大采高工作面煤壁片幫控制措施。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)宏觀(guān)監(jiān)測(cè)結(jié)果，在采用該煤壁控制措施后煤壁片幫情況有了較大改善，表明該措施能夠有效提升工作面煤壁的穩(wěn)定性。