深部大采高超長工作面煤壁片幫機理及控制技術(shù)

王傳兵，李家卓 ，李 群，侯俊領(lǐng)

(1.淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學，深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控安徽省重點實驗室，安徽 淮南 232001)

深部大采高超長工作面煤壁片幫機理及控制技術(shù)

王傳兵1，李家卓2，李 群1，侯俊領(lǐng)1

(1.淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學，深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控安徽省重點實驗室，安徽 淮南 232001)

采用實驗室試驗、數(shù)值計算和理論分析綜合研究方法，研究了深部大采高超長工作面煤壁片幫機理及控制技術(shù)，研究表明：試驗工作面煤為脆性煤體，原始含水率為1.6%，煤層含水率達到5.0%左右強度最高；采高一定時，煤層強度越低，煤壁水平變形越大，越容易發(fā)生片幫；煤壁位移最大處為煤壁中上部，采高5m時，距煤層底板2～4m容易發(fā)生片幫。現(xiàn)場采用兩巷超前深孔煤層注水、兩巷超前深孔+工作面煤壁淺孔超前預(yù)注漿、調(diào)節(jié)支架安全閥差異開啟、選擇大工阻支架等關(guān)鍵技術(shù)，防片幫、防塵效果較好。研究成果為深部大采高超長工作面安全高效開采提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

深部開采；大采高綜采；超長工作面；煤壁片幫機理；控制技術(shù)

大采高工作面煤壁片幫易引發(fā)端面漏冒事故，漏冒范圍擴大的同時，液壓支架易出現(xiàn)歪架、咬架甚至倒架事故，嚴重制約工作面安全高效生產(chǎn)。長期以來，國、內(nèi)外眾多學者針對大采高工作面煤壁片幫機理及頂板控制技術(shù)進行了大量深入的研究，王家臣等開展了極軟厚煤層煤壁片幫與防治機理研究，認為通過采取緩和工作面煤壁壓力和提高煤體抗剪強度可有效防治軟煤片幫問題[1]；劉長友等開展了極軟厚煤層大采高臺階式綜采端面煤巖穩(wěn)定性控制研究，認為大采高松軟煤壁片幫主要以剪切滑移引起的三角斜面片幫為主，認為采用臺階式割煤工藝，能有效改善工作面煤壁的應(yīng)力狀態(tài)，有利于煤壁的穩(wěn)定[2]；尹希文等開展了大采高綜采面煤壁片幫特征分析與應(yīng)用研究，建立了煤壁壓桿模型，分析了煤壁的撓度等物理力學特征，認為工作面中、上部煤壁最易發(fā)生片幫[3]；靳俊恒等將劈裂后的煤壁簡化為壓桿，建立了煤壁片幫的突變模型，研究認為工作面片幫不僅與煤體的幾何尺寸和力學性質(zhì)有關(guān)，還與載荷大小和方式有關(guān)[4]；在大采高綜采工作面片幫加劇機理分析及防治措施方面，牛艷奇開展了工作面開采煤壁的受力狀態(tài)分析研究，提出了影響煤壁片幫的雙因素敏感指標，分別為采高和煤體的內(nèi)摩擦角，并給出了采高與煤壁破壞范圍和所需護幫力的相關(guān)關(guān)系[5]；袁永等開展了“三軟”大采高綜采面煤壁穩(wěn)定性及其控制研究，依據(jù)損傷力學理論，研究了大采高煤壁片幫的微觀機理，采用“楔形體”穩(wěn)定理論，研究了大采高煤壁片幫的宏觀表征[6]；楊勝利等通過分析煤壁變形特征和柔性加固機理，提出了煤壁片幫防治柔性加固技術(shù)，為煤壁片幫防治提供了新思路[7]。

淮南礦區(qū)大部分煤層埋深大于600m，屬于深部開采，淮南礦區(qū)的謝橋、張集礦等逐步應(yīng)用大采高綜采技術(shù)。文獻[8]分析了深部超大采高綜采所需的關(guān)鍵技術(shù)及可能面臨的問題，指出深入研究礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、煤壁穩(wěn)定性控制技術(shù)、提高設(shè)備可靠性是實現(xiàn)深部超大采高綜采技術(shù)需要解決的首要問題。本文以淮南礦業(yè)謝橋礦深部大采高超長工作面為依托，對深部大采高超長工作面煤壁片幫機理及控制技術(shù)進行探討。

1 工作面概況

謝橋礦1242(3)工作面地面標高+19.1～+26.8m，工作面埋深約550～650m，其中工作面風巷底板標高為-524.3～-559.4m，機巷底板標高為-619.3～-657.4m。工作面傾斜長363m，走向回采長度2924m。工作面煤層厚度平均5.1m，煤層傾角平均15°。工作面直接頂為復(fù)合頂板，厚度0～12.2m，均厚8.4m，巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、13-2煤，工作面基本頂為細砂巖，厚度1.8～11.5m，平均厚度3.8m，工作面局部地點為基本頂直覆。實測13-1煤抗壓強度19.2MPa，抗拉強度0.66MPa，彈性模量4.67GPa，泊松比0.36，黏聚力3.2MPa，內(nèi)摩擦角38°。壓拉比達到29，具有明顯的脆性。工作面主要設(shè)備配套為ZZ13000/28/65D型電液控液壓支架、JOY 7LS6C型采煤機、SGZ1000/3×1000型刮板輸送機、SZZ1200/700型轉(zhuǎn)載機、PCM375型破碎機、DSJ120/200/4×355型膠帶輸送機。

2 煤壁片幫機理分析

工作面采煤機割煤，煤壁逐漸暴露，煤壁穩(wěn)定性受地質(zhì)條件和具體開采技術(shù)條件等多種因素綜合影響，煤壁具有逐漸暴露、無支護、大變形的特點。采用壓桿理論分析頂板壓力對片幫的影響，一端鉸支、另一端固支的煤壁的側(cè)向變形曲線為正弦半波，根據(jù)壓桿力矩平衡方程M=Fp·ω-M0x/h，式中M為x截面形心的彎矩，N·m；Fp為煤壁所受垂直方向壓力，kN；ω為煤壁撓度，m；M0為煤壁固定端力矩，kN·m；h為采高，m。經(jīng)過分析可得在距工作面頂板0.35h處煤壁撓度ω最大，由于煤壁變形最大，因此最容易片幫。

圖1 壓桿模型示意

根據(jù)謝橋礦1242(3)工作面現(xiàn)場地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件，采用大型非線性三維數(shù)值計算軟件FLAC3D軟件進行煤壁水平位移數(shù)值模擬。工作面頂?shù)装鍘r層及其厚度如表1所示。

表1 模擬采用的巖層及其厚度

三維計算模型走向方向240m，高度方向100m。模型4個側(cè)面及底面均固定。模型上部施加500m厚巖層等效載荷?，F(xiàn)場取芯、實驗室測定煤巖層物理力學參數(shù)，沒有測定數(shù)據(jù)的按巖性平均取值給定。模擬采用的物理力學參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)值模擬采用的參數(shù)

此次分析在割煤高度4，4.5，5和5.5m情況下，在煤層硬度系數(shù)2.5，2.0，1.5情況下的煤壁片幫情況，支架支護強度1.0MPa，煤壁片幫情況按水平位移情況分析。

數(shù)值模擬得到的煤壁水平位移圖(煤層硬度系數(shù)2.0、不同割煤高度)，如圖2所示。

圖2 煤層硬度系數(shù)2.0、不同割煤高度下工作面煤壁水平位移

各模擬方案下最終位移結(jié)果如圖3所示。

圖3 工作面煤壁位移曲線

分析可見，在采高一定的情況下，煤層強度越低，煤壁水平變形越大，越容易發(fā)生片幫。煤層硬度大于2.0時，各割煤高度條件下，煤壁位移量相對較??；煤層硬度小于2.0時，各割煤高度下，煤壁位移量均發(fā)生明顯增大。

結(jié)合現(xiàn)場回采實踐分析，大于0.1m位移量的區(qū)域?qū)嶋H容易出現(xiàn)片幫。各割煤高度下，煤層在硬度1.5時容易發(fā)生片幫，容易發(fā)生片幫的位置：割煤高度4m時，距煤層底板1.5～3m；割煤高度4.5m時，距煤層底板2～4m；割煤高度5m時，距煤層底板2～4m；割煤高度5.5m時，距煤層底板2～4.5m。

數(shù)值模擬分析表明，采高一定時，煤層強度越低，煤壁水平變形越大，越容易發(fā)生片幫，煤壁位移最大處為煤壁中上部，與壓桿理論分析結(jié)論一致。各割煤高度下，煤層硬度系數(shù)降低至1.5及以下容易發(fā)生片幫，割煤高度5m時，距煤層底板2～4m容易發(fā)生片幫。

3 煤壁片幫控制技術(shù)

煤壁破壞主要有剪切破壞和拉伸破壞2種形式，易出現(xiàn)工作面上部劈裂式片幫、壓剪滑落式和中部橫拱式片幫3種現(xiàn)象。煤壁片幫與工作面采高、煤體自身脆性和強度、煤壁處頂板壓力、圍壓等因素密切相關(guān)，可采取煤層注水提高煤體塑性、注漿提高煤體強度及提高液壓支架頂梁及護幫板工作阻力等措施防止煤壁片幫。

3.1 兩巷超前深孔煤層注水

對工作面煤層，按天然含水狀態(tài)、自然吸水狀態(tài)、強制吸水狀態(tài)(飽和)等3種不同含水率情況下的煤體強度進行測試。測試表明煤層原始含水率為1.6%，隨著含水率的提高，煤體抗壓強度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，抗壓強度從平均22.27MPa，提高至29.44MPa，后降低至13.93MPa，含水率達到5.0%左右效果最好。實際煤層注水時，與自然吸水狀態(tài)下的試件狀態(tài)類似，可提升煤體物理力學性質(zhì)，增強煤體塑性，提高煤粒之間的摩擦力，提高煤體的強度和黏結(jié)力。

1242(3)工作面兩巷采用已施工的順層抽采鉆孔對煤層進行注水，孔深為180m，當工作面采至距瓦斯抽采孔15m左右，拆除瓦斯抽采管路，并連接注水管路，封孔采用專用煤層注水封孔器。工作面采至距注水孔2個采煤步距時停止注水，回收注水管路，連接工作面前方瓦斯管路進行注水。注水壓力為3～5MPa，根據(jù)煤體松軟情況及時對注水壓力進行調(diào)整。注水時間以煤壁滲水為準。注水水源為井下普通清水，注水泵選用BRW400/31.5增壓泵。

3.2 斷層破碎帶超前注漿預(yù)加固

斷層破碎帶內(nèi)，受構(gòu)造應(yīng)力影響，大采高工作面頂幫出現(xiàn)破壞，按采場大結(jié)構(gòu)理論，采場由液壓支架、煤壁、巖梁共同承載，煤壁失穩(wěn)后巖梁易超前切落，發(fā)生滑落失穩(wěn)，因此對破碎煤壁注漿加固可有效保障大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，避免頂板事故的發(fā)生。漿液在泵壓的作用下沿煤巖體裂隙滲透，充填在裂隙中，漿液固結(jié)后起到加固煤巖體作用，提高破碎煤巖體整體強度，發(fā)揮注漿網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)的作用。

在斷層破碎帶內(nèi)沿構(gòu)造走向超前施工順層孔實施高壓注漿，注漿壓力10～12MPa左右，注漿材料采用P.O42.5 硅酸鹽水泥，水灰比0.7～0.6∶1(重量)，打眼選用ZDY-3200S鉆機配直徑63.5mm螺旋鉆桿，直徑94mm鉆頭，采用聚胺脂藥包將鉆孔5～8m范圍封堵。

面內(nèi)揭露較破碎煤巖體，采用工作面淺孔注化學漿方式進行加固，開孔位置距底板2m左右，深8～10m左右“三花”淺孔，仰角4～6°，構(gòu)造帶內(nèi)采取壓茬注漿，加固中上部破碎松軟煤巖體。

3.3 支架安全閥差異開啟，保證支架合理工況

異常區(qū)大采高工作面圍巖破碎，礦壓顯現(xiàn)劇烈，根據(jù)支架頂梁所受合力作用點的位置，調(diào)節(jié)前、后立柱安全閥開啟，壓力值，保證支架處于良好架形。如在合力作用點偏前條件下，前立柱壓力大于后立柱，適當調(diào)小后立柱安全閥開啟壓力，有利于支架頂梁處于水平的狀態(tài)，當頂板劇烈來壓時，后立柱安全閥先開啟，活柱下縮，為機道上方創(chuàng)造了足夠空間，利于過機的需要，即使發(fā)生壓架事故，也便于處理。

3.4 選擇大工阻液壓支架，保證支架初撐力

當支架初撐力較小時，工作面頂?shù)装逡平枯^大，頂板壓力前移，在超前壓力作用下，煤壁破壞不斷向煤體深部發(fā)展，煤壁出現(xiàn)大范圍塑性區(qū)，承載能力大大降低。當工作面停采時間較長時，這種現(xiàn)象更加明顯。在煤機割煤、拉移支架等影響下煤壁塑性區(qū)易發(fā)生端面頂煤破碎冒落，引起支承壓力進一步向煤壁深部轉(zhuǎn)移，塑性區(qū)范圍進一步擴大，該范圍煤機割煤、移架等因素影響再次造成煤壁片幫，形成惡性循環(huán)。

本工作面支架選用ZZ13000/28/65D支架，工作阻力13000kN，整體頂梁結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)一般向上翹3～5°，在高初撐力作用下，支架能夠有效承載頂板壓力，緩和煤壁的壓力，改善煤壁的應(yīng)力狀態(tài)?，F(xiàn)場加強初撐力管理，支架初撐力不小于24MPa，采用KJ21礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)進行在線監(jiān)測。

3.5 堅持帶壓擦頂移架、及時護幫

現(xiàn)場ZZ13000/28/65D綜采支架采用整體頂梁帶伸縮梁配二級護幫結(jié)構(gòu)，支架伸縮梁行程1050mm，一級護幫高度1570mm，二級護幫高度1000mm，提供的最大護幫阻力為0.2MPa。及時護幫并保證護幫阻力是控制煤壁上部穩(wěn)定、減弱中下部煤壁片幫的一個關(guān)鍵因素。工作面回采過程中滯后采煤機3～4架帶壓移架，超前采煤機滾筒不超過3架收護幫板，滯后割煤不得超過3架打開護幫板，片幫地點及時拉超前架管理。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

現(xiàn)場通過每天繪制地質(zhì)報表，及時確定煤體破碎區(qū)域和制定相應(yīng)防片幫措施。

1242(3)工作面傾向長度362.9m，工作面支架數(shù)為212架，觀測期間為2014年9-11月共3個月，主要記錄了幾次較明顯(片幫深度>200mm、片幫范圍>2架)的片幫。

除了1次觀測到20～30，60～70，185～190架發(fā)生較大片幫外，其余幾次按先后順序記錄分別發(fā)生在130～140，68～83，35～40，160～165，26～30，75～77，175～185架，片幫深度一般為500～1000mm。從總體上看，發(fā)生較大片幫的次數(shù)不多，有1次對工作面的生產(chǎn)影響較大，較大的片幫使得片落的煤大量積壓在刮板輸送機上，導(dǎo)致刮板輸送機啟動困難，影響生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

以淮南謝橋煤礦深部的1242(3)大采高綜采工作面為工程背景，分析煤壁片幫機理和煤壁片幫控制技術(shù)，通過現(xiàn)場實測表明，效果良好。研究主要結(jié)論如下：

(1)實測13-1煤的物理力學性質(zhì)，13-1煤為脆性煤體，測試表明煤層原始含水率為1.6%，煤層含水率達到5.0%左右強度最高。

(2)通過數(shù)值模擬分析表明，采高一定時，煤層強度越低，煤壁水平變形越大，越容易發(fā)生片幫，煤壁位移最大處為煤壁中上部，與壓桿理論分析結(jié)論一致。各割煤高度下，煤層硬度系數(shù)降低至1.5及以下容易發(fā)生片幫，割煤高度5m時，距煤層底板2～4m容易發(fā)生片幫。

(3)依據(jù)理論分析成果，采用兩巷超前深孔煤層注水、兩巷超前深孔+工作面煤壁淺孔超前預(yù)注漿、調(diào)節(jié)支架安全閥差異開啟、選擇大工阻支架等有效措施，防片幫、防塵效果較好。

[1]王家臣.極軟厚煤層煤壁片幫與防治機理[J].煤炭學報，2007，32(8)：785-788.

[2]劉長友，黃炳香，常興民，等.極軟厚煤層大采高臺階式綜采端面煤巖穩(wěn)定性控制研究[J].中國礦業(yè)大學學報，2008，37(6)：734-739.

[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].采礦與安全工程學報，2008，25(2)：222-225.

[4]靳俊恒，孟祥瑞，高召寧.煤壁片幫失穩(wěn)的尖點突變模型分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2011，38(5)：77-79，89.

[5]牛艷奇，陳樹義，劉俊峰.大采高綜采工作面片幫加劇機理分析及防治措施[J].煤炭科學技術(shù)，2010，38(7)：38-40.

[6]袁 永，屠世浩，馬小濤，等.“三軟”大采高綜采面煤壁穩(wěn)定性及其控制研究[J].采礦與安全工程學報，2012，29(1)：21-25.

[7]楊勝利，孔德中.大采高煤壁片幫防治柔性加固機理與應(yīng)用[J].煤炭學報，2015，40(6)：1361-1367.

[8]惠本利.深部礦井厚煤層超大采高綜采技術(shù)研究展望[J].煤炭科學技術(shù)，2014，42(4)：1-4.

[責任編輯：姜鵬飛]

新疆兩礦區(qū)總體規(guī)劃獲批 合計資源量超80Gt

近日，從新疆自治區(qū)發(fā)改委了解到，新疆自治區(qū)和什托洛蓋礦區(qū)總體規(guī)劃和準東將軍廟礦區(qū)總體規(guī)劃已獲國家發(fā)改委批準。

據(jù)了解，和什托洛蓋礦區(qū)位于和布克賽爾縣境內(nèi)，面積約896km2，煤炭資源總量約12.5Gt，礦區(qū)共劃分為14個井田、2個小型煤礦開采區(qū)和5個勘查區(qū)，規(guī)劃煤炭產(chǎn)能30.3Mt/a，所產(chǎn)煤炭主要供應(yīng)附近的煤化工和電廠項目，少量滿足民用需求。

準東將軍廟礦區(qū)主要位于奇臺縣境內(nèi)，面積約1766km2，煤炭資源總量約68.7Gt，礦區(qū)劃分為12個井田和1個勘查區(qū)，規(guī)劃總規(guī)模為155Mt/a，所產(chǎn)煤炭主要供應(yīng)附近工業(yè)園區(qū)內(nèi)的煤化工和電廠項目。

新疆自治區(qū)發(fā)改委能源局煤電處副處長張壽平表示，這是國家實施煤炭去產(chǎn)能政策后，首次批復(fù)新疆煤炭礦區(qū)總體規(guī)劃，對新疆科學有序開發(fā)煤炭資源具有重要指導(dǎo)意義。新疆自治區(qū)發(fā)改委將嚴格按照國家批復(fù)的煤炭礦區(qū)總體規(guī)劃，組織礦區(qū)開發(fā)主體企業(yè)科學有序開發(fā)煤炭資源。

摘自：《煤炭信息》周刊2017.3.16

Principle and Control Technology of Coal Wall Spalling of Super Length Working Face with Large Mining Height in Deep

WANG Chuan-bin1，LI Jia-zhuo2，LI Qun1,HOU Jun-ling1

(1.Huainan Mine(Corporation) Co.，Ltd.，Huainan 232001，China；2.Anhui Province Key Laboratory of Deep Mine Mining Response and Disaster Prevention，Huainan 232001，China)

Principle and control technology of coal wall spalling of super length working face with large mining height in deep were studied with laboratory test，numerical simulation and theory analysis and so on.The results showed that coal of working face was brittle coal，original water ratio was 1.6%，and strength reached the maximal as coal seam water ratio reached 5.0%，when mining height was constant，coal wall horizontal deformation increased with coal seam strength decreased，and coal wall would appeared easily，and the maximal coal wall displacement amount appeared at middle and upward position，when mining height was 5m,coal wall spalling easily appeared at the position that to coal seam floor was 2～4m .And some key techniques like advanced coal seam water injection in two roadways of working face,advanced deep holes pre-grouting of two roadways and advanced shallow holes pre-grouting in working face coal wall，differential opening of support safety valve，and larger resistance support，coal wall spalling prevention and dust prevention effects were good.The results could referenced for similar situation.

mining in deep；fully mechanized mining with large mining height；super length working face，coal wall spalling principle，control technology

2016-10-08

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.015

國家自然科學基金資助項目(51504005)；深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控安徽省重點實驗室開放基金(KLDCMERDPC13103)；安徽理工大學博士基金；安徽理工大學青年教師科學研究基金重點項目(12859)

王傳兵(1970-)，男，安徽濉溪人，工程碩士，高級工程師，現(xiàn)任淮南礦業(yè)集團設(shè)計院副院長，分管科研工作。

王傳兵，李家卓，李 群，等.深部大采高超長工作面煤壁片幫機理及控制技術(shù)[J].煤礦開采，2017，22(2)：56-60.

TD353

A

1006-6225(2017)02-0056-05