大采高仰采工作面煤壁片幫機(jī)理及控制技術(shù)

劉海龍

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)柳灣煤礦，山西 孝義 032300)

引 言

近年來(lái)，隨著綜采裝備技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，大采高綜采工藝在我國(guó)各大礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用。然而，大采高工作面機(jī)采高度的增大必然造成工作面煤壁臨空面積增大，尤其是對(duì)于仰采工作面，在礦山壓力作用下煤壁片幫機(jī)率加大，進(jìn)而可能引發(fā)采場(chǎng)端面大面積冒頂，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)，故大采高仰采工作面煤壁片幫控制是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)工作面煤壁片幫機(jī)理及防治技術(shù)做了大量的研究工作，而針對(duì)大采高仰采工作面煤壁片幫的研究還相對(duì)較少。本文就針對(duì)某礦2612大采高仰采工作面的煤壁片幫機(jī)理進(jìn)行研究，并制定針對(duì)性的技術(shù)控制措施及管理方案。

1 大采高仰采煤壁片幫影響因素分析

宋振騏院士重點(diǎn)研究了不同開(kāi)采及地質(zhì)參數(shù)對(duì)采場(chǎng)的影響規(guī)律，定性地揭示了采高、采深和煤體強(qiáng)度對(duì)煤壁片幫的作用關(guān)系[1]；謝廣祥教授基于典型開(kāi)采地質(zhì)條件，利用多種先進(jìn)的研究手段，從采場(chǎng)圍巖控制、瓦斯治理、開(kāi)采參數(shù)優(yōu)化等方面進(jìn)行研究，揭示出各因素與片幫的內(nèi)在關(guān)系，提出了有效控制措施[2]；王家臣教授深入剖析了極軟厚煤層片幫特征，并提出了不同的判別標(biāo)準(zhǔn)，著重探討了不同主控因素影響下的片幫控制技術(shù)[3]；方新秋教授對(duì)軟煤綜放開(kāi)采的冒頂片幫進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，統(tǒng)一綜放頂煤、高位承載結(jié)構(gòu)等因素創(chuàng)建模型，對(duì)煤壁片幫的過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)闡述，創(chuàng)新性的提出煤壁最小臨界穩(wěn)定高度的概念，用以指導(dǎo)片幫控制參數(shù)的制定[4]。煤科總院尹希文等利用壓桿理論研究煤壁片幫誘發(fā)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)煤壁中上部是較容易發(fā)生片幫的位置，半煤壁片幫和整個(gè)煤壁片幫是大采高綜采面的兩種主要片幫形式。對(duì)于煤壁片幫的控制措施，本文則著重強(qiáng)調(diào)及時(shí)移架并重視護(hù)幫板的作用，合理提高支架的初撐力和工作阻力[5]。

現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，煤壁片幫發(fā)生多為局部片幫，工作面大范圍片幫情況比較少見(jiàn)。其局部片幫原因主要有兩個(gè)方面，頂板壓力作用和煤壁煤體自重。其破壞形式包括拉破壞及剪破壞兩種主要形式。工作面仰采時(shí)，工作面端面煤巖體在自重和仰角的影響下，會(huì)有一個(gè)指向采空區(qū)的分力，這個(gè)分力的作用會(huì)加劇端面煤巖體的裂隙發(fā)育和碎裂，對(duì)端面平衡結(jié)構(gòu)的形成不利，同時(shí)，破碎后的直接頂塊體向采空區(qū)移動(dòng)，支架頂部的頂板完整性受到破壞，不利于支架的接頂和支撐效能的發(fā)揮，進(jìn)而影響到對(duì)頂板及煤壁的支護(hù)，使煤壁上方的煤體受拉或受剪而從前方煤體中脫落，發(fā)展為煤壁片幫[6]。煤壁片幫影響因素包括夾矸影響、采高影響、頂板來(lái)壓影響、支架支護(hù)效果和狀態(tài)影響等。

2 基于數(shù)值模擬的片幫機(jī)理研究

本次數(shù)值模擬使用UDEC離散元數(shù)值模擬軟件，根據(jù)2612大采高仰采工作面的具體地質(zhì)參數(shù)及圍巖條件參數(shù)建立數(shù)值模型。本礦井煤層為傾斜煤層，在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)生產(chǎn)狀況進(jìn)行簡(jiǎn)化和抽象的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)數(shù)值模擬模型為水平模型，盡量規(guī)避無(wú)關(guān)因素的影響，本文的模擬計(jì)算中，煤巖體和節(jié)理的物理、幾何參數(shù)是在現(xiàn)場(chǎng)的原巖參數(shù)的基礎(chǔ)上確定的，設(shè)計(jì)的模型架構(gòu)及邊界條件，如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型建立及邊界條件示意圖

分別設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)采高為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m的5個(gè)模型，其他條件一致。布置位移測(cè)線(xiàn)模擬并記錄煤壁片幫深度，作煤壁片幫深度與采高的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖2所示。得出工作面煤壁片幫深度與采高增加呈正相關(guān)性，且采高超過(guò)4 m之后，片幫深度增加的速率提高，這也證明了常規(guī)情況下大采高綜采的最大采高不超過(guò)4 m的原因，如果采高超過(guò)4 m，煤壁片幫的概率會(huì)加速增大，需要采取針對(duì)性的控制措施。

圖2 煤壁片幫深度與采高關(guān)系曲線(xiàn)

同理，設(shè)計(jì)數(shù)值模擬方案分別模擬分析液壓支架的工作阻力及水平支護(hù)阻力、工作面賦存深度、煤體內(nèi)摩擦角等參數(shù)對(duì)煤壁片幫的影響情況。得出隨著液壓支架工作阻力及指向煤壁水平力的增大，煤壁片幫程度減小，但當(dāng)支護(hù)力增大到一定程度后，煤壁片幫程度基本不再變化，說(shuō)明加強(qiáng)支護(hù)力及指向煤壁的支護(hù)有利于煤壁控制，但支架工作阻力不是越大越好，而是需要有一個(gè)合理值，這樣既能保證有效支護(hù)，又能減少裝備投入及成本浪費(fèi)；此外煤層賦存深度的增大，造成工作面礦山壓力顯現(xiàn)的加劇，同樣不利于煤壁片幫的控制；而對(duì)煤體內(nèi)摩擦角的模擬研究，隨著內(nèi)摩擦角增大，煤壁片幫深度及程度減小，說(shuō)明可通過(guò)注漿等方式改善煤體特征，進(jìn)行煤壁片幫的控制。

3 端面煤巖體綜合控制方案

對(duì)于大采高仰采工作面的端面煤巖體控制，按照前文對(duì)片幫影響因素及片幫機(jī)理的模擬分析，應(yīng)著重做好以下端面煤巖體控制工作。確保液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度，重視支架前探梁及護(hù)幫板的水平支護(hù)力作用，防止支架接頂不實(shí)；確保液壓支架的支護(hù)狀態(tài)，保障支架的合理端面距不得超過(guò)0.3 m，同時(shí)對(duì)于頂梁臺(tái)階、支架錯(cuò)距、擠架咬架、頂梁俯仰角等參數(shù)進(jìn)行合理控制；確保支架故障的及時(shí)排除，液壓支架故障不可避免，應(yīng)該加強(qiáng)日常的故障排查及檢修，及時(shí)加以排除。

對(duì)于端面煤巖體破碎、遭受片幫冒頂較大威脅、過(guò)斷層過(guò)老巷等局部區(qū)域，除了按照以上措施加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理外，針對(duì)性的設(shè)計(jì)了煤壁注漿加固、端面長(zhǎng)錨索加固等綜合控制方案，如圖3所示。對(duì)于端面頂板破碎易冒處打設(shè)長(zhǎng)錨索，錨索規(guī)格Φ17.8mm，長(zhǎng)度不低于5 000 mm，確保打入基本頂內(nèi)，使用2支CK2530樹(shù)脂錨固劑，確保懸吊及錨固效果。對(duì)于松散破碎的煤壁，尤其是處于來(lái)壓前夕時(shí)，采取煤壁注漿加固措施，注漿孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度4 500 mm，與水平方向呈30°斜向上打設(shè)，孔距3 000 mm，每推進(jìn)5 m為一個(gè)注漿循環(huán)，一般情況下注漿一個(gè)循環(huán)即可，煤壁大范圍破碎或來(lái)壓期間可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行多循環(huán)注漿。

圖3 端面煤巖體綜合控制方案示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

2612大采高仰采工作面在整個(gè)回采期間高度重視端面煤巖體控制及支架?chē)鷰r工況的維護(hù)，在日常管理中強(qiáng)調(diào)支護(hù)強(qiáng)度的達(dá)標(biāo)、支架幾何位態(tài)的管理及液壓支架的日常維護(hù)，對(duì)于局部區(qū)域及時(shí)采取打錨索、煤壁注漿等綜合控制方案，在后續(xù)的推采過(guò)程中未發(fā)生嚴(yán)重片幫冒頂事故，保障了工作面的安全順利生產(chǎn)。