趙保平

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)長治有限公司,山西 長治 047100）

0 引言

我國從1978年起，引進(jìn)德國大采高支架及相應(yīng)的采煤運(yùn)輸設(shè)備，同時(shí)國產(chǎn)大采高液壓支架和采煤機(jī)相繼研制。經(jīng)過30年的實(shí)踐，目前已取得明顯進(jìn)展并具有降低掘進(jìn)率、緩解采掘接替緊張、簡化生產(chǎn)環(huán)節(jié)和防瓦斯防火防塵等明顯技術(shù)優(yōu)勢。但對于煤層普氏系數(shù)在0.6以下的軟巖煤層而言，在回采期間常出現(xiàn)工作面煤壁片幫和冒頂現(xiàn)象，嚴(yán)重制約工作面正常推進(jìn)?；谠摲N情況，筆者開展軟煤機(jī)理研究，并在此基礎(chǔ)上提出防治措施，以保證礦井安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

山西長治王莊煤業(yè)有限責(zé)任公司（以下簡稱王莊煤業(yè)），隸屬山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)有限公司，2009年改擴(kuò)建，核定生產(chǎn)能力為240萬噸/年，現(xiàn)開采3#煤層，位于山西組中下部，上距K8砂巖34.90～43.67 m,平均35.21 m；下距K7砂巖3.69～8.54 m，平均6.66 m；下距15#煤層101.51～119.65 m，平均109.83 m。煤厚4.20～6.07 m，平均5.08 m，傾角4～6°，煤的容重為1.45 t/m3，結(jié)構(gòu)簡單，含一層夾矸，厚度約0.1 m，距煤層底板1.35～1.4 m，煤層厚度穩(wěn)定，全井田可采，為穩(wěn)定型煤層。煤層頂板多為中、細(xì)粒砂巖，局部為泥巖、砂質(zhì)泥巖；底板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、局部為細(xì)砂巖。煤層具有煤塵爆炸危險(xiǎn)，屬不易自燃煤層。

礦井首采大采高3501工作面，煤層厚度4.20～6.07 m，平均5.08 m，平均采高5.08 m，煤層普氏硬度系數(shù)f<0.6，近水平煤層，埋深280～360 m，工作面走向長度1408 m，傾斜長度300 m。

2 大采高工作面煤壁片幫冒頂機(jī)理數(shù)值模擬分析

2.1 模型尺寸及邊界條件

模型的建立是依據(jù)王莊煤業(yè)3501綜采工作面所處的實(shí)際工程地質(zhì)條件，模型尺寸取工作面長300m，高60m，寬150m，假定模型兩側(cè)水平位移近似于0。同時(shí)假定模型的底邊的水平和豎直位移都近似于0，模型的頂部加載以豎直的地應(yīng)力，模型可模擬王莊煤業(yè)3501工作面煤層開采后采場礦山壓力分布及煤壁和頂?shù)装鍘r層的塑性片幫等情況，以便定性的分析大采高工作面煤壁片幫機(jī)理。

圖1 王莊3#煤層開采模擬模型圖

2.2 模型力學(xué)參數(shù)

模擬過程考慮煤體、頂?shù)装鍘r層的實(shí)際性質(zhì)，工作面采高、工作面長度、煤層埋深、支架工作阻力等影響因素。根據(jù)工作面附近鉆孔地層情況：3501工作面煤層埋深340m，平均采高5.08m，煤層為近水平煤層，模擬的煤層頂?shù)装鍘r性、厚度及巖石力學(xué)參數(shù)如表1所列。

表1 3#煤層頂?shù)装遒x存特征與力學(xué)參數(shù)

2.3 煤壁片幫冒頂機(jī)理模擬分析

按照圖1中的計(jì)算模型，賦予模型與王莊煤業(yè)3501綜采工作面相近似的工程概況條件及相應(yīng)的煤巖層巖石力學(xué)參數(shù)，通過模型的模擬計(jì)算，得出工作面煤壁的及地頂板巖層的受力情況以及煤壁塑性區(qū)擴(kuò)展變化情況，分析3501大采高工作面的片幫冒頂機(jī)理。

圖2 3501綜采工作面煤壁及頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布圖

隨著工作面的推進(jìn)，煤壁由開采前的三維應(yīng)力狀態(tài)改變?yōu)殚_采后的二維應(yīng)力狀態(tài)或者單向應(yīng)力狀態(tài)，煤壁在采場超前支撐壓力作用下，工作面附近的煤壁出現(xiàn)塑性變形形成塑性破碎區(qū)（如圖2所示），從而導(dǎo)致煤壁片幫。煤壁片幫的寬度、深度和形狀不是完全相同的，但片幫冒頂?shù)膮^(qū)域一定是出現(xiàn)在塑性區(qū)內(nèi)。

圖3 3501綜采工作面煤壁及頂?shù)装逯С袘?yīng)力分布云圖

由圖3支承應(yīng)力分布云圖中可以得出：煤壁中支承應(yīng)力峰值出現(xiàn)在煤壁中央距煤壁約3.5m處，且最大支承應(yīng)力峰值為20.455MPa，為原巖應(yīng)力的2.4倍，根據(jù)礦山壓力理論，煤壁中的支承應(yīng)力峰值點(diǎn)為煤體的彈性區(qū)和塑性區(qū)的分界點(diǎn)，峰值點(diǎn)以內(nèi)為煤體的塑性破壞區(qū)，以外為煤體的彈性變形區(qū)。煤壁附近塑性區(qū)的煤體處于二維應(yīng)力或者單向應(yīng)力狀態(tài)，其支承能力大大降低，當(dāng)煤體所承受的支承壓力超過煤體的強(qiáng)度極限時(shí)，往往會(huì)引起煤壁外鼓量的增加，從而導(dǎo)致煤壁的片幫冒頂，王莊煤業(yè)3501工作面實(shí)測的片幫冒頂形式如圖4所示。

由圖4所示，王莊煤業(yè)3501大采高工作面煤壁片幫的形式及規(guī)律基本符合彈性力學(xué)摩爾強(qiáng)度理論：煤壁的片幫是因?yàn)槠鋬?nèi)部產(chǎn)生剪切力，當(dāng)某一剪切面上的剪切力大于煤體所允許的剪切力時(shí)，煤體就會(huì)沿著該剪切面發(fā)生剪切破壞。按照彈性力學(xué)理論分析可知，最大剪應(yīng)力面的法向與最大主應(yīng)力方向的夾角（為煤體的內(nèi)摩擦角），因此多處煤壁片幫都是與水平面呈約45°夾角出現(xiàn)的剪切滑移而破壞片落。

3 片幫冒頂影響因素

大采高工作面引起片幫和冒頂?shù)囊蛩赜泻芏啵凶匀灰蛩?，如：埋深、煤層厚度、煤質(zhì)強(qiáng)度、煤的解理裂隙發(fā)育程度等；也有生產(chǎn)技術(shù)因素，如：支架支護(hù)強(qiáng)度、支架護(hù)幫板水平推力、割煤高度、截深、工作面長度、工作面推進(jìn)速度和工作面俯（仰）斜開采角度等。在特定的煤層地質(zhì)條件下，生產(chǎn)技術(shù)因素往往是我們研究煤壁與端面頂板穩(wěn)定性的重點(diǎn)[1-3]。

4 防片幫冒頂技術(shù)措施

大采高工作面煤壁片幫和端面冒頂是兩個(gè)相互影響的過程，煤壁發(fā)生片幫，使支架與煤壁間的無支護(hù)空間加大，從而誘發(fā)端面冒頂，而端面冒頂也增加了煤壁無水平約束高度，反過來又加劇了煤壁片幫，造成惡性循環(huán)。同時(shí)，片幫和冒頂?shù)陌l(fā)生也惡化了支架與圍巖的相互作用關(guān)系，使煤壁和端面頂煤穩(wěn)定性維護(hù)更加困難。因此大采高開采煤壁穩(wěn)定性研究必須考慮到片幫和冒頂?shù)倪@種相互影響關(guān)系。在影響煤壁和端面頂煤穩(wěn)定性的眾多因素中，有些是不可改變的，比如自然因素，但有些是可以加以控制的，如果能有效的控制這些影響因素，則可控制或減小片幫和冒頂事故，保證工作面正常生產(chǎn)。

針對以上片幫機(jī)理因素的分析[4-6]，提出了大采高工作面煤壁穩(wěn)定性控制措施：

4.1 大采高綜采工藝參數(shù)優(yōu)化

從綜采工藝參數(shù)優(yōu)化方面，對提高大采高工作面煤壁穩(wěn)定性建議如下：

（1）提高支架初撐力和支護(hù)阻力

我們先后在浙江天目山、大盤山、臺(tái)州大神仙居、溫州雁蕩山、溫州烏巖嶺、溫州龍灣潭、天臺(tái)山、嵊泗列島和臺(tái)灣宜蘭縣、南投縣、新北市等地，采集到缺齒蓑蘚11個(gè)地理居群(圖1)的106份樣本。11個(gè)居群的地理信息詳見表1。從每個(gè)地理居群中隨機(jī)選取位于4～9個(gè)不同樹干上的蘚叢，各樹間的距離在50 m以上，以避免重復(fù)取樣。將各蘚叢中分出的枝條作為不同個(gè)體，放入裝有變色硅膠的封口袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室冷凍保存、備用。憑證標(biāo)本保存于上海師范大學(xué)標(biāo)本館(SHNU)。

1）加強(qiáng)支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測。及時(shí)對支架進(jìn)行二次注液，保證工作面支架具有足夠的初撐力和支護(hù)阻力，減小煤幫壓力，以提高支架－圍巖體系的整體剛度，確保良好的支架位態(tài)。

2） 正確操作支架。在移架伸柱后，支架工應(yīng)觀察支架間顯示屏中的初撐力讀數(shù)或立柱上壓力表讀數(shù)，保證足夠的操作時(shí)間，達(dá)到額定的初撐力或采用電液閥控制，保證支架的初撐力。充分利用支架的初撐力，及時(shí)有效地控制頂板下沉，控制煤壁片幫。

（2）控制采高

正常條件下，嚴(yán)格控制割煤高度，過斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造破碎帶時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低采高。

（3）減小空頂距

1） 及時(shí)支護(hù)新暴露出來的頂板。采用先移架后推溜的作業(yè)方式，實(shí)踐表明，滯后采煤機(jī)組1～2架，馬上移架支護(hù)頂板，及時(shí)打出防片幫板，對防治片幫，可以收到良好效果。當(dāng)移架速度跟不上采煤機(jī)速度時(shí)，適當(dāng)?shù)臏p緩割煤速度或停機(jī)移架，移架后及時(shí)將伸縮梁打開。

2） 盡量保證截割出來的頂板平整。

（4）改善并合理使用護(hù)幫裝置

1）采用三級護(hù)幫裝置，加大護(hù)幫面積。

2） 割煤時(shí)由專人超前采煤機(jī)前滾筒1/2～1個(gè)支架收回護(hù)幫板，待前滾筒過后伸出護(hù)頂，移架時(shí)收回護(hù)幫板，移架后伸出護(hù)幫，在時(shí)間上和空間上形成對煤幫和頂板的不間斷支護(hù)。

（5）加快工作面推進(jìn)速度

1） 盡量加快工作面推進(jìn)速度，減小每循環(huán)的頂板下沉總量，控制煤壁片幫。

2） 盡量減小各種不正常事故導(dǎo)致的工作面停產(chǎn)，當(dāng)出現(xiàn)事故時(shí)要及時(shí)處理，盡可能的縮短停產(chǎn)時(shí)間。

3） 工作面停產(chǎn)大修時(shí)，要盡量在煤層較薄、采高較低、頂板條件較好的地段進(jìn)行，并用單體支柱加強(qiáng)支護(hù)，以防止片幫擴(kuò)大，造成冒頂。

圖4 實(shí)測王莊煤業(yè)3501大采高工作面煤壁破壞形式

除了上述行之有效的措施可以防治或減少煤壁片幫和冒頂外，提高采煤機(jī)牽引速度，帶壓拉架，加固煤壁等措施對于防止片幫較為有效。

4.2 大采高工作面注漿加固技術(shù)

根據(jù)國內(nèi)外大采高工作面開采實(shí)踐，5.0 m大采高工作面開采時(shí)，除工作面煤壁的穩(wěn)定性較差外，松軟煤層條件下工作面上下端頭過渡區(qū)頂煤難維護(hù)，上覆頂板較為破碎時(shí)，上覆頂板亦不易維護(hù)，如果處理不當(dāng)，極易引發(fā)大面積的片幫冒頂現(xiàn)象。因此在工作面煤壁嚴(yán)重片幫、端頭過渡區(qū)頂煤難維護(hù)、工作面頂板較破碎時(shí)，可以分別針對該區(qū)域進(jìn)行注漿加固，以保證工作面的安全高效回采。

5 結(jié)論

通過對大采高工作面片幫冒頂機(jī)理及影響因素分析，給出了軟煤大采高工作面防片幫冒頂?shù)木唧w措施：

（1）大采高綜采工藝參數(shù)優(yōu)化，提高支架初撐力和支護(hù)阻力，減小空頂距，合理使用護(hù)幫裝置，加快工作面推進(jìn)速度，加強(qiáng)工作面生產(chǎn)技術(shù)管理。

（2）煤壁注漿加固。

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