陳 寧

（晉煤集團(tuán)成莊礦生產(chǎn)部，山西 晉城 048006）

1 概述

隨著我國(guó)中東部煤炭資源的逐步枯竭，煤炭開(kāi)發(fā)向西部、礦井開(kāi)采向深部已成大勢(shì)所趨，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)西北地區(qū)不僅儲(chǔ)量約占現(xiàn)有全國(guó)煤炭可采總量的60%以上，且煤炭資源又多以厚煤層為主，約占44%。而現(xiàn)行厚煤層的主要開(kāi)采方法為：分層綜合機(jī)械化開(kāi)采、綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采以及厚煤層一次采全高開(kāi)采。盡管分層開(kāi)采、綜放開(kāi)采技術(shù)是現(xiàn)行主流的開(kāi)采方式，但是分層開(kāi)采搬家倒面次數(shù)多、接續(xù)緊張，綜放開(kāi)采回收率低、混矸程度高、易發(fā)生自燃等缺陷仍非常明顯［1］，因此對(duì)于厚煤層開(kāi)采而言，一次采全厚的開(kāi)采方式將因其回收率高、含矸率低、推進(jìn)速度快以及適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為主流開(kāi)采工藝。

隨著厚煤層一次采全高綜采工藝的推廣應(yīng)用，由于采高較高導(dǎo)致煤壁穩(wěn)定性極差且存在嚴(yán)重的片幫問(wèn)題，這些問(wèn)題使其推廣應(yīng)用被大大制約。為此，我國(guó)科技工作者開(kāi)展了大量的研究工作，取得了豐碩成果。在圍巖控制方面：趙宏珠等［2］在調(diào)研大量工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)大采高工作面應(yīng)力分布特征及支架的阻力進(jìn)行了分析研究，提出適合大采高的支架選型方法；弓培林、靳鐘銘等［3-4］人基于關(guān)鍵層理論，計(jì)算了大采高采場(chǎng)的兩帶高度，提出隨采高增加，兩帶高度呈臺(tái)階狀上升，每一個(gè)臺(tái)階代表一個(gè)其控制作用的關(guān)鍵層。在煤壁片幫方面：郝海金［5］運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的思想分析研究了大采高工作面片幫發(fā)生的機(jī)理；閆少宏［6］運(yùn)用力學(xué)解析對(duì)大采高煤壁片幫機(jī)理進(jìn)行了揭示；胡國(guó)偉通過(guò)數(shù)值模擬分析研究了大采高工作面的應(yīng)力分布規(guī)律及塑性區(qū)擴(kuò)展情況。

成莊煤礦四盤(pán)區(qū)采用了一次采全高的生產(chǎn)工藝，在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的片幫問(wèn)題，嚴(yán)重制約了安全高效生產(chǎn)。本文以此對(duì)厚煤層一次采全高煤壁失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行分析，并提出合理防控技術(shù)，以期保證礦井正常生產(chǎn)工作。

2 工程地質(zhì)概況

成莊煤礦四盤(pán)區(qū)煤層厚度在4.69～5.27 m之間，平均厚度4.92 m。煤層埋深620～950 m，東南向西北傾斜。煤層含夾矸0～4層，一般為1層，厚0.20 m左右，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。頂板以中砂巖為主。底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。共揭露主要斷層16條。結(jié)合四盤(pán)區(qū)煤層賦存特點(diǎn)，采用綜合機(jī)械化一次采全高采煤工藝。

3 煤壁片幫特征及失穩(wěn)機(jī)理分析

3.1 煤壁片幫特征分析

在工作面開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)四盤(pán)區(qū)煤壁進(jìn)行了為期30天的片幫觀測(cè)及統(tǒng)計(jì)。根據(jù)所觀測(cè)情況，煤壁發(fā)生片幫的形式主要包括：頂部片幫、腰部片幫、頂?shù)撞科瑤汀⒌撞科瑤鸵约懊罕谛鼻衅瑤偷?，?jiàn)圖1。

圖1 一次采全高煤壁片幫形式

在觀測(cè)期間，煤壁片幫共計(jì)40 次，其中，頂部、腰部片幫居多，共占75%；深度多集中于0.8～2.3 m，占59.5%高度多集中在 1.9～2.5 m，占50.5%。由上可知，回采期間煤壁的片幫問(wèn)題較嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了安全高效生產(chǎn)。

3.2 煤壁失穩(wěn)機(jī)理分析

綜合四盤(pán)區(qū)地質(zhì)采礦條件及煤壁片幫特征及失穩(wěn)機(jī)理分析可知，大采高煤壁的失穩(wěn)主要是受大埋深、硬頂板及煤體裂隙發(fā)育所影響，因此，對(duì)于煤壁的失穩(wěn)機(jī)理分為應(yīng)力控制型及結(jié)構(gòu)控制型分述如下：

（1）應(yīng)力控制型

工作面開(kāi)采后，初始地應(yīng)力被破壞，在煤壁前方出現(xiàn)超前支承壓力，且由于埋深較大，應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，當(dāng)煤體極限強(qiáng)度小于支承壓力時(shí)，煤壁處的煤體率先發(fā)生破壞，后逐步向深部發(fā)展。受支承壓力擠壓作用，煤壁上形成橫向的拉應(yīng)力，使煤體發(fā)生拉破壞，產(chǎn)生大量橫向裂隙并向深部不斷擴(kuò)張，當(dāng)裂隙擴(kuò)展到煤體邊界，煤壁處煤體發(fā)生剝離，由于裂隙擴(kuò)展方向存在不確定性，也就出現(xiàn)了前面描述的幾種片幫形式。

（2）結(jié)構(gòu)控制型

受構(gòu)造影響煤巖體中存在著大量結(jié)構(gòu)面，使煤體被切割而處在一種斷續(xù)連接狀態(tài)。隨著工作面開(kāi)采，煤體受工程擾動(dòng)影響，某些塊體間充填物質(zhì)膠結(jié)能力急劇下降，造成塊體沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移，繼而導(dǎo)致煤體發(fā)生大面積破壞，煤壁出現(xiàn)了失穩(wěn)。

4 大采高煤壁穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

根據(jù)四盤(pán)區(qū)大采高煤壁失穩(wěn)機(jī)理分析可知，煤壁的失穩(wěn)主要是受應(yīng)力與構(gòu)造共同影響，據(jù)此，針對(duì)不同情況采取針對(duì)性防控措施，以期到達(dá)煤壁狀態(tài)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)高效安全生產(chǎn)。

4.1 頂板超前預(yù)爆破技術(shù)

四盤(pán)區(qū)埋深較大、頂板堅(jiān)硬，在開(kāi)采過(guò)程中易形成超前支承壓力集中及大面積懸頂現(xiàn)象，因此，采用超前預(yù)爆破方法處理堅(jiān)硬頂板能夠有效防控應(yīng)力控制煤壁失穩(wěn)。采用工作面雙側(cè)布孔方案，在軌道巷和皮帶巷分別布置一組孔（每組3個(gè)孔），分別為基本頂切斷孔、端頭切斷孔、基本頂輔助孔，具體布置方案見(jiàn)圖2。同時(shí)，在工作面前方100 m開(kāi)掘與巷道平行的鉆孔巷道，并進(jìn)行切斷孔作業(yè)。

圖2 切斷鉆孔布置

4.2 煤壁超前預(yù)加固技術(shù)

針對(duì)煤壁受構(gòu)造影響造成的破碎問(wèn)題，采用超前預(yù)加固，對(duì)破碎煤體進(jìn)行注漿膠結(jié)，保證煤壁成為一個(gè)強(qiáng)度較高的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體。其加固孔布置主要沿走向及傾向進(jìn)行布置。

（1）走向加固孔

在煤壁處布置注漿孔采用雙排錯(cuò)位形式，孔深10 m，孔徑不小于Φ42 mm，間距不小于3.5 m（具體布置需按實(shí)際進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整），具體布置方案見(jiàn)圖3（a）。

（2）傾向加固孔

在皮帶及軌道巷內(nèi)沿傾向布置平行孔，對(duì)超前煤壁5～10 m區(qū)域注漿進(jìn)行煤壁加固。鉆孔距頂板距離為1.5～2 m，間距不大于4 m，封孔長(zhǎng)度不小于8 m，孔徑Φ不小于75 mm，具體布置方案見(jiàn)圖3（b）。

圖3 注漿鉆孔布置方案

5 應(yīng)用效果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)采礦條件，沿支架依次在煤壁每5架布設(shè)一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，共記布設(shè)23個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)周期為14日歷日，以檢驗(yàn)頂板超前預(yù)爆破技術(shù)與煤壁超前預(yù)加固技術(shù)實(shí)施后對(duì)四盤(pán)區(qū)大采高煤壁片幫的控制效果。

根據(jù)不同日期測(cè)得數(shù)據(jù),對(duì)煤壁片幫的深度和高度進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)在實(shí)施控制手段后，煤壁片幫情況較未實(shí)施有較大改善，日平均深度為106 mm，日平均高度為90 mm，其中，實(shí)施后的8、11、14日煤壁水平移進(jìn)量較大，分別為170 mm、190 mm及205 mm；11、14日垂直位移量較大，分別為110 mm及155 mm。

在觀測(cè)期間，出現(xiàn)周期來(lái)壓的時(shí)間分別為1、5、8、11、14日，平均來(lái)壓步距為19 m，因此與觀測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，發(fā)現(xiàn)實(shí)施控制措施后，僅在來(lái)壓期間煤壁出現(xiàn)了較大的水平及垂直位移變形，但遠(yuǎn)小于未實(shí)施前。由此可知實(shí)施頂板超前預(yù)爆破技術(shù)與煤壁超前預(yù)加固技術(shù)措施能夠有效解決厚煤層一次采全高煤壁失穩(wěn)片幫問(wèn)題，不但能夠較大程度地提高生產(chǎn)效率，而且經(jīng)濟(jì)效益得到顯著增加。

6 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)觀測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)成莊煤礦四盤(pán)區(qū)厚煤層一次采全高煤壁失穩(wěn)的主要形式為頂部、腰部、頂?shù)撞?、底部以及斜切片幫；進(jìn)一步分析得到煤壁失穩(wěn)發(fā)生機(jī)理主要受大埋深、硬頂板及煤體裂隙發(fā)育所影響，煤壁的失穩(wěn)機(jī)理被劃分為應(yīng)力及結(jié)構(gòu)兩種控制類(lèi)型。

2）根據(jù)對(duì)煤壁的失穩(wěn)機(jī)理分析發(fā)現(xiàn)煤壁的失穩(wěn)受應(yīng)力與構(gòu)造共同作用，因此提出綜合運(yùn)用對(duì)頂板超前預(yù)爆破與煤壁超前預(yù)加固技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大采高煤壁穩(wěn)定性進(jìn)行控制，取得了較好片幫控制效果，經(jīng)濟(jì)效益也較顯著。