豎向裂隙發(fā)育煤層大采高綜放開采煤壁片幫失穩(wěn)機(jī)理及其控制?

賈永生楊敬軒劉錦榮

（1.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西省大同市，037003；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

豎向裂隙發(fā)育煤層大采高綜放開采煤壁片幫失穩(wěn)機(jī)理及其控制?

賈永生1楊敬軒2劉錦榮1

（1.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西省大同市，037003；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

針對(duì)大同礦區(qū)塔山煤礦豎向裂隙發(fā)育煤層大采高綜放開采典型煤壁片幫特征，基于壓桿理論分析和實(shí)測(cè)研究，探討了豎向裂隙發(fā)育煤層煤壁片幫失穩(wěn)機(jī)理。理論計(jì)算得到了豎向裂隙發(fā)育煤層煤壁片幫臨界穩(wěn)定關(guān)系及對(duì)應(yīng)的臨界作用力，通過提高煤巖摩擦系數(shù)、降低煤壁條狀煤體重心提高工作面煤壁的穩(wěn)定性。結(jié)合塔山礦8105工作面大采高綜放開采條件，采用煤層深孔內(nèi)充水承壓微爆破技術(shù)，取得了大采高煤壁片幫良好防治效果。

大采高綜放 煤壁片幫 裂隙發(fā)育 臨界作用力 承壓爆破

大采高煤層綜放開采空間大，覆巖擾動(dòng)范圍廣，加之采動(dòng)影響，工作面煤壁穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致開采過程中煤壁片幫頻發(fā)，嚴(yán)重影響工作面的正常生產(chǎn)。因此，大采高條件下的煤壁片幫機(jī)理與防治一直是熱點(diǎn)研究議題。大同礦區(qū)塔山礦8105工作面是大采高綜放面，煤層豎向裂隙發(fā)育，因而煤壁片幫機(jī)理獨(dú)具特點(diǎn)。基于不同煤層賦存和開采條件下的煤壁片幫機(jī)理與防治問題研究成果，考慮中部水平集中力的影響，采用壓桿理論分析豎向裂隙發(fā)育煤層煤壁片幫機(jī)理，為該條件下煤壁片幫有效防治技術(shù)提供依據(jù)。

1　煤層地質(zhì)及工作面煤壁片幫誘發(fā)因素分析

1.1煤層地質(zhì)概況

塔山礦8105大采高綜放面地表標(biāo)高+1352～1568 m，井下標(biāo)高+1015～1038 m，煤層平均厚度16.8 m，傾角1°～3°，工作面傾向長(zhǎng)度207 m，走向長(zhǎng)度2965 m，機(jī)采割煤高度4.2 m，煤層普氏系數(shù)2.7～3.7，屬?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，豎向節(jié)理較為發(fā)育。煤層直接頂為巖漿巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖、硅化煤交替賦存，厚度5.82 m，基本頂為粉砂巖、細(xì)砂巖與含礫粗砂巖，厚度18.84 m，直接底為高嶺質(zhì)泥巖，厚度4.87 m。

1.2裂隙發(fā)育煤層煤壁片幫誘發(fā)因素分析

（1）8105綜放面開采空間大，覆巖活動(dòng)擾動(dòng)范圍廣，煤層開采后的頂板活動(dòng)與采場(chǎng)空間效應(yīng)是導(dǎo)致煤壁片幫頻發(fā)的根本原因。

（2）大采高煤層開采后的煤體高應(yīng)力是誘發(fā)煤壁片幫的直接因素之一。高應(yīng)力作用下煤體壓縮變形大，拉剪破壞區(qū)域分布廣，裂隙發(fā)育、貫通程度高，煤壁失穩(wěn)破壞幾率明顯增加。

（3）工作面煤體豎向裂隙發(fā)育條件下，煤壁煤體被分割成條狀，加之煤壁自由面影響以及瘦高條狀煤體自身穩(wěn)定性差，在水平擠壓力、重力和開采擾動(dòng)的共同作用下容易產(chǎn)生煤壁片幫。

綜上，誘發(fā)大采高綜放面煤壁片幫的因素復(fù)雜多變，諸因素間相互關(guān)聯(lián)且對(duì)煤壁片幫程度的響應(yīng)也不明確，因此為有效防控工作面大面積片幫的產(chǎn)生，首先應(yīng)弄清豎向裂隙發(fā)育煤層工作面煤壁片幫失穩(wěn)機(jī)理。

2　豎向裂隙發(fā)育煤層煤壁片幫失穩(wěn)機(jī)理

2.1工作面煤壁片幫特征分析

8105工作面開采過程中工作面中部位置頻繁發(fā)生煤壁片幫，局部位置煤壁嚴(yán)重片幫引發(fā)冒頂，嚴(yán)重影響工作面的正常生產(chǎn)。工作面推進(jìn)過程中觀測(cè)的幾次煤壁片幫數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1　工作面煤壁片幫尺寸

從圖1可以看出，8105工作面煤壁片幫尺寸相對(duì)較大，煤壁片幫平均高度在3.4 m左右，平均片幫深度達(dá)到了1.1 m，煤壁片幫影響平均寬度約為5.2 m。

2.2豎向裂隙發(fā)育煤層煤壁片幫失穩(wěn)模型

煤層豎向裂隙發(fā)育是8105工作面煤壁片幫中獨(dú)具特點(diǎn)的誘發(fā)因素。豎向裂隙的存在導(dǎo)致工作面煤層被分割成豎向長(zhǎng)條簇狀結(jié)構(gòu)，因此采用壓桿理論模擬分析豎向裂隙分割條件下的煤壁片幫失穩(wěn)機(jī)理具有一定的合理性。鑒于工作面實(shí)體煤內(nèi)不同深度位置處的應(yīng)力狀態(tài)有所區(qū)別，建立存在中部等效集中力的壓桿模型，如圖2所示。

圖2　豎向裂隙發(fā)育煤層煤壁片幫模型

圖2中坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置于煤層底部，根據(jù)圖2（b）、圖2（c）所示的壓桿任意截面位置彎矩平衡條件及壓桿理論中的撓曲位移關(guān)系，得到壓桿撓曲位移表達(dá)式為:

式中:F0——煤層頂部豎直受力；

F1——煤層頂部水平受力；

E——壓桿彈性模量；

I——壓桿截面慣性矩；

k—煤層臨界作用力無量綱因子；

X——煤層中部受力作用位置；

d1——煤層頂部片幫偏移量；

h——煤層厚度；

x——壓桿任意截面位置坐標(biāo)；

y——壓桿撓曲位移。

求解后得到方程式的通解為:

式中:y1——壓桿中下部位置的撓曲位移；

y2——壓桿中上部位置的撓曲位移；

A1、A2、B1、B2——待定常數(shù)。

根據(jù)壓桿兩端面及中部集中力作用位置的位移和受力連續(xù)條件，得到壓桿臨界穩(wěn)定關(guān)系滿足:

式中:M0——煤層底部彎矩；

δ1、δ2——中間參量。

假定煤層頂部水平力F1由煤層和頂板摩擦產(chǎn)生，并取煤巖摩擦系數(shù)為μ，代入式（3），得到壓桿臨界穩(wěn)定關(guān)系為:

式中:μ——煤巖摩擦系數(shù)。

以大同礦區(qū)塔山礦8105綜放面為例，分析壓桿臨界受力與煤壁片幫誘因之間的關(guān)系，為合理片幫治理措施的提出以及合理技術(shù)參數(shù)的確定提供依據(jù)。

2.3裂隙發(fā)育煤層片幫臨界作用力的確定

根據(jù)8105綜放面煤壁片幫觀測(cè)分析，煤層頂部平均片幫深度為1.1 m，工作面煤層機(jī)采高度為4.2 m，分析煤壁中部（X=0.6、1.5、3.0）受力情況下的煤層臨界作用力無量綱因子和摩擦系數(shù)間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3　煤層臨界作用力無量綱因子與摩擦系數(shù)間的關(guān)系

已知式（4）是關(guān)于壓桿臨界穩(wěn)定關(guān)系的多值函數(shù)，其間必存在合理的臨界無量綱因子k值。由于煤壁臨界作用力與無量綱因子之間成正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)，從研究問題的物理實(shí)際出發(fā)可知煤體摩擦系數(shù)越高將越有利于煤壁的穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)的煤壁失穩(wěn)臨界作用力也越大，此時(shí)煤壁臨界作用力與摩擦系數(shù)間也應(yīng)滿足正相關(guān)關(guān)系，因此對(duì)應(yīng)的無量綱因子與摩擦系數(shù)之間不會(huì)以負(fù)相關(guān)關(guān)系存在，即圖3所示的0.35水平線以下的負(fù)相關(guān)關(guān)系曲線是不具備現(xiàn)實(shí)物理意義的，因而對(duì)應(yīng)煤壁臨界失穩(wěn)作用力的最小臨界無量綱因子k值應(yīng)為0.35，并由此確定煤壁臨界失穩(wěn)作用力為:

式中:F0l——煤壁臨界作用力。

同理，分析煤巖摩擦系數(shù)分別為μ=0.20、0.35、0.55情況下，煤層臨界作用力無量綱因子與其中部集中力作用位置間的關(guān)系，如圖4所示。

圖4　臨界作用力無量綱因子與其中部集中力位置間的關(guān)系

同前述理由，根據(jù)圖4可以確定合理的臨界無量綱因子k值仍為0.35，因此最終確定壓桿穩(wěn)定狀態(tài)下的臨界受力仍滿足關(guān)系式（5）。

8105工作面煤壁片幫誘發(fā)因素較多，為合理有效地規(guī)避工作面煤壁大面積片幫發(fā)生，還應(yīng)找出眾多因素中的主控、敏感因素。根據(jù)前述分析得到的煤層煤壁失穩(wěn)臨界作用力無量綱因子，代入煤壁片幫臨界穩(wěn)定關(guān)系式（4），得到煤巖摩擦系數(shù)與中部集中力作用位置間的關(guān)系，如圖5所示。

圖5　煤巖摩擦系數(shù)與中部集中力作用位置間的關(guān)系

從圖5可以看出，當(dāng)煤巖摩擦系數(shù)相對(duì)較?。é蹋?.33）時(shí)，其與中部作用力位置間呈現(xiàn)多值、間斷特點(diǎn)，該情況下煤壁片幫發(fā)生對(duì)煤巖摩擦系數(shù)與中部作用力位置兩因素較為敏感；當(dāng)煤巖摩擦系數(shù)相對(duì)較大（μ≥0.33）時(shí)，其與中部作用力位置間則表現(xiàn)出反向相關(guān)關(guān)系，對(duì)應(yīng)的煤壁中部作用力位置相對(duì)偏低。由此可見，煤礦現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中，如能提高煤巖摩擦系數(shù)，降低煤壁受力重心，將十分有利于工作面煤壁的穩(wěn)定。

3　深孔充水承壓微爆防治煤壁片幫及效果

煤巖深孔內(nèi)充水承壓爆破具備高能效、超動(dòng)載靜態(tài)破巖特點(diǎn)。針對(duì)塔山礦8105工作面煤層條件，采用深孔充水承壓微爆技術(shù)，可以減小煤壁片幫落塊體尺寸，改變煤壁原次生裂隙的規(guī)則排序，通過爆生裂隙的縱橫交叉、貫通，勾連煤體原次生裂隙，形成煤壁近區(qū)實(shí)體煤內(nèi)的裂隙織網(wǎng)結(jié)構(gòu)，煤體內(nèi)裂隙織網(wǎng)交叉咬合，增強(qiáng)分割塊體間的摩擦力與粘結(jié)力，同時(shí)還可降低煤體結(jié)構(gòu)重心及中部集中作用力位置。

鑒于8105工作面傾向長(zhǎng)度較大，從工作面兩端的回采巷向煤體內(nèi)打鉆實(shí)施難度大，且實(shí)際生產(chǎn)中僅工作面中部位置頻繁片幫，因此采取在工作面傾向中部位置實(shí)施打鉆放炮進(jìn)行煤層超前預(yù)裂的工藝措施，爆破預(yù)裂鉆孔布設(shè)參數(shù)如圖6所示。

圖6　爆破預(yù)裂鉆孔布設(shè)參數(shù)

視工作面傾向中部煤壁片幫影響范圍，可實(shí)施多組鉆孔，組間距為3 m，每組布置上、下兩個(gè)鉆孔。上位鉆孔孔口距底板1.1 m，封孔底端距煤層頂板距離為1.5 m，鉆孔長(zhǎng)度12.7 m左右，仰角為12°，裝藥長(zhǎng)度約6 m，封孔長(zhǎng)度5.7 m；下位鉆孔孔口距底板0.8 m，鉆孔長(zhǎng)度約13.8 m，仰角7°，裝藥長(zhǎng)6 m，封孔長(zhǎng)度6.8 m。采用手持式氣腿鉆機(jī)進(jìn)行深孔打鉆，鉆孔直徑為42 mm，成孔直徑約44 mm。深孔內(nèi)充水承壓微爆工藝的循環(huán)打鉆距離為6.4 m，即每當(dāng)工作面推進(jìn)6.4 m，及時(shí)在工作面中部位置進(jìn)行下個(gè)爆破循環(huán)，即打鉆-裝藥-封孔-起爆工序。

塔山礦井下靜壓水壓力為2.0 MPa，根據(jù)裂隙發(fā)育煤層的壓力水濾失特點(diǎn)，選取內(nèi)徑為6 mm的注水管即可滿足煤層孔內(nèi)持水狀態(tài)要求；選用的粉狀乳化炸藥裝藥前需加裝防水袋，炸藥直徑為40 mm，鑒于承壓爆破效能高，單孔內(nèi)裝藥4.0 kg，并通過導(dǎo)爆索進(jìn)行起爆。

8105工作面試驗(yàn)實(shí)施深孔內(nèi)充水承壓微爆技術(shù)措施后，工作面煤壁片幫得到有效改善。工作面推進(jìn)過程中煤壁片幫頻次有所減少，片幫影響范圍顯著減小。觀測(cè)得到的煤壁片幫尺寸，如圖7所示。

對(duì)比圖1和圖7中相應(yīng)的煤壁片幫數(shù)據(jù)，采取深孔內(nèi)充水承壓微爆技術(shù)措施后，豎向裂隙發(fā)育煤層工作面煤壁片幫得到了極大改善，平均片幫深度降為0.5 m左右，煤壁片幫影響平均寬度降為3.3 m左右。

圖7　微爆處理后的煤壁片幫尺寸

4　結(jié)論

（1）塔山礦8105大采高綜放面煤層豎向裂隙發(fā)育是工作面煤壁片幫中獨(dú)具特點(diǎn)的誘發(fā)因素。豎向裂隙的存在導(dǎo)致工作面煤層被分割成豎向長(zhǎng)條狀結(jié)構(gòu)，因此采用壓桿理論模擬分析了豎向裂隙分割條件下的煤壁片幫失穩(wěn)機(jī)理，得到了該條件下的煤壁片幫臨界穩(wěn)定關(guān)系式。

（2）針對(duì)8105工作面生產(chǎn)條件，計(jì)算得到豎向裂隙發(fā)育煤層大采高綜放面煤壁片幫失穩(wěn)臨界作用力，分析了煤巖摩擦系數(shù)和中部集中力作用位置間的關(guān)系，為合理煤壁片幫防治措施的提出與參數(shù)選取提供了依據(jù)。

（3）提出了工作面中部打鉆的煤層深孔內(nèi)充水承壓微爆破防治片幫技術(shù)，確定了合理的打鉆尺寸、孔內(nèi)裝藥結(jié)構(gòu)以及深孔承壓微爆參數(shù)。

（4）8105工作面采取深孔內(nèi)充水承壓微爆技術(shù)措施后，工作面煤壁片幫得到了極大改善，最大片幫深度和片幫影響寬度顯著減小。

［1］ 吳浩，宋選民.8.5 m大采高綜采工作面煤壁穩(wěn)定性的理論分析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2015（3）

［2］ 寧宇.大采高綜采煤壁片幫冒頂機(jī)理與控制技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2009（1）

［3］ 尹希文，閆少宏，安宇.大采高綜采面煤壁片幫特征分析與應(yīng)用 ［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008（2）

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［5］ 楊勝利，姜虎，程志恒.層理發(fā)育硬煤層煤壁片幫機(jī)理及防治技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2013（12）

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［8］ 楊建立.大采高綜放工作面煤巖穩(wěn)定性及其控制［J］.中國(guó)煤炭，2007（11）

［9］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2004

［10］ 楊敬軒.安全高效能堅(jiān)硬煤巖承壓式爆破控制機(jī)理及試驗(yàn)分析［D］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2015

（責(zé)任編輯 張毅玲）

Instability mechanism and control research of rib fall in fully mechanized caving face with large height in seam with vertical fracture development

Jia Yongsheng1，Yang Jingxuan2，Liu Jinrong1
（1.Datong Coal Mine Group Co.，Ltd.，Datong，Shanxi 037003，China；2.School of Mines，China University of Mining&Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Aiming at the typical characteristics of rib fall in fully mechanized caving face with large mining height in seam with vertical fracture development in Tashan Coal Mine of Datong mining area，based on the theoretical analysis of compression bar and test research，the instability mechanism of rib fall in seam with vertical fracture development was discussed.Through theoretical analysis，the critical stable relation and corresponding critical force of the rib fall were achieved.By increasing the friction coefficient of coal and lowering the gravity center of coal strip，the stability of coal wall could be improved. Combined with the fully mechanized caving conditions of the 8105 working face in Tashan Coal Mine，it achieved good prevention and control effects on the rib fall by adopting the confined micro-blasting technology with confined water filling the borehole.

fully mechanized caving mining with large height，rib fall，fracture development，critical force，confined blasting

TD323

A

?三晉學(xué)者支持計(jì)劃專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（2050205）

賈永生（1971-），男，山西大同人，高級(jí)工程師，現(xiàn)為大同煤礦集團(tuán)安全管理監(jiān)察局副處長(zhǎng)，從事煤礦安全管理工作。