復雜條件下回采工作面煤壁失穩(wěn)機理與控制技術(shù)研究

張 釗

（山西平舒煤業(yè)有限公司 ，山西 壽陽 045400）

0 引 言

隨著我國煤炭資源的不斷開采，賦存條件好的煤層不斷減少，煤層開采的地質(zhì)條件越來越復雜，工作面經(jīng)常出現(xiàn)起伏不平的狀況，也就是仰斜開采和俯斜開采。目前國內(nèi)外學者對俯仰斜開采展開研究：馬文頂,劉長友等[1]認為仰斜開采的仰斜角越大，頂板水平位移量越大，初撐力越小，頂板越容易斷裂失穩(wěn)，必須提高支架的初撐力，才能保證煤壁頂板的穩(wěn)定性；周健等[2]認為俯仰斜開采時煤壁有三種破壞形式，巖塊破壞、結(jié)構(gòu)面破壞、兩者同時破壞，以及仰斜開采易使煤壁失穩(wěn)，俯斜開采易保持煤壁穩(wěn)定性。本文主要針對8102工作面的煤壁片幫的具體情況，對俯仰采工作面煤壁失穩(wěn)機理進行分析研究，確定煤壁穩(wěn)定性控制措施，為相似工程情況提參考和指導作用。

1 工程概況

某礦8102工作面，位于-600m水平北一采區(qū)，工作面傾斜長度為156.5m，走向長度為623.8m，主采8#煤層，煤層均厚4.1m，直接頂為泥巖，均厚7.46m；基本頂為厚細砂巖，均厚4.8m；直接底為泥巖，均厚6.58m；老底為細砂巖，均厚3.24m，屬軟弱煤層，煤層平均傾角5°。由于煤層松軟，節(jié)理裂隙較發(fā)育，工作面起伏不平，局部片幫深度超過1.8m，嚴重影響生產(chǎn)安全，急需采取有效措施控制煤壁失穩(wěn)。

2 煤壁失穩(wěn)機理

根據(jù)現(xiàn)有研究成果，工作面煤壁失穩(wěn)破壞及工作面超前支承壓力的分布特征，受開采角度和推進方向影響較大[3]。工作面煤壁至超前支撐壓力峰值點的距離和其峰值的大小，使不同角度工作面煤壁前方支撐力產(chǎn)生差異。

圖1 水平工作面與俯仰斜工作面的支承壓力分布特點

圖1 為其他開采條件相同時，俯仰斜工作面及水平工作面煤壁支承壓力的分布情況。圖中，γ為上覆巖層平均容重，kN·m-3；α為俯仰斜角度，°；M為工作面采高，m；H 為工作面埋深，m；k1、k2、k3為支承壓力集中系數(shù)。

假設在水平工作面中，煤壁至超前支承壓力峰值點的距離為l0。計算可得，俯仰斜工作面煤壁至超前支承壓力峰值點的距離l1、l2分別為[4]：

由圖1及式（1）可知：①煤壁超前支承壓力峰值點至煤壁的距離大小順序為：俯斜開采＞水平開采＞仰斜開采；②俯斜開采時，峰值點朝著煤體側(cè)內(nèi)移，且α角越大，內(nèi)移越明顯；仰斜開采時，峰值點朝著煤體采空側(cè)外移，且α角越大，外移越明顯。超前支承壓力峰值點的外移加劇煤壁的失穩(wěn)破壞，內(nèi)移有助于煤壁的穩(wěn)定；③俯采段煤壁未發(fā)生明顯片幫現(xiàn)象，穩(wěn)定性較好；仰采段易發(fā)生片幫現(xiàn)象，穩(wěn)定性較差。綜上，通過俯仰斜工作面支撐壓力特點，分析了煤壁失穩(wěn)機理，為復雜條件下回采工作面煤壁穩(wěn)定性的控制技術(shù)提供了理論依據(jù)。

3 工作面煤壁穩(wěn)定性控制及效果

3.1 煤壁支承壓力分布特點

根據(jù)8102工作面實際情況，運用UDEC數(shù)值模擬軟件對不同角度煤層上方支撐力進行計算，選取煤層傾角為0°、±15°、±30°時煤壁上方支承壓力進行對比研究分析，得到不同開采角度下支承壓力峰值距工作面煤壁距離變化曲線，如圖2所示。

圖2 不同開采角度下支承壓力峰值距工作面煤壁距離變化曲線

從圖中可以看出：當工作面傾斜角度由-30°變化到30°（即由仰采變化到俯采）時，支承壓力峰值位置逐漸遠離工作面煤壁。也就是說，仰采時工作面支承壓力峰值位置向采空區(qū)外移，易使煤壁發(fā)生片幫，且仰斜角度越大，煤壁越容易失穩(wěn)；俯采時工作面支承壓力峰值位置向煤體側(cè)內(nèi)移，煤壁穩(wěn)定性較好。所以，盡量避免大角度仰斜開采，宜采用俯斜開采。

3.2 支承壓力影響范圍實測

煤壁穩(wěn)定性與工作面超前支承壓力密切相關(guān)，可以通過巷道表面位移來反應工作面超前支承壓力分布規(guī)律。由此對8102工作面運輸巷和回風巷表面位移進行監(jiān)測，并對運輸巷結(jié)果進行出圖分析，如圖3所示。

圖3 運輸巷表面位移觀測結(jié)果

由監(jiān)測結(jié)果可知，運輸巷和回風巷曲線變化規(guī)律相近，對兩巷累積表面位移規(guī)律進歸納后，可分為三個階段：劇烈期、過渡期、平緩期。在對位移觀測結(jié)果進行分析時，考慮到巷道存在一定范圍的自變形，所以20mm內(nèi)的變形量不計入支承力影響范圍內(nèi)。9～27m內(nèi)：劇烈期，工作面超前支承壓力對此區(qū)域影響較大；4～7m內(nèi)：過渡區(qū)，此區(qū)域為平緩期到劇烈期的過渡區(qū)；68～90m內(nèi)：平緩期，工作面超前支承壓力對此區(qū)域影響較小。通過對8102運輸巷和回風巷表面位移的觀測，確定了超前支承壓力的影響較大區(qū)域為 9～27m。

3.3 工作面支架初撐力分析

現(xiàn)場觀測后，初步認為8102工作面嚴重片幫的主要原因是支架的初撐力不足[5]。因此，對8102工作面內(nèi)49#～130#液壓支架初撐力持續(xù)監(jiān)測49天，并將得到的數(shù)據(jù)進行整理分析，繪出相應的頻率直方圖如圖4所示。

1）由圖3可知，支架初撐力主要分布范圍在15～30MPa，20MPa以上的占50.9%，而30MPa以上的僅占0.2%。該礦設計要求的合理初撐力為24MPa，實際工作面初撐力達到該值的僅占總量的20%左右，遠達不到設計要求，導致工作面頂板下沉量大，片幫嚴重。

圖4 支架初撐力統(tǒng)計直方圖

2）在監(jiān)測的液壓支架范圍中，45#和50#上部支架初撐力數(shù)值較小，且分布較均勻。初撐力在20 MPa以上的占36.8%，而25 MPa以上的僅占18.4%，上部煤壁片幫深度達0.6 m～1.5 m，片幫明顯；下部初撐力在20 MPa以上的占54.7%，而25 MPa以上的也僅占19.5%。對比可知，支架下部初撐力偏大，導致煤壁片幫數(shù)量較少，但是仍存在一定數(shù)量的片幫，支架初撐力有待改進。

3.4 煤壁穩(wěn)定性控制措施

針對8102工作面煤壁失穩(wěn)狀況，結(jié)合上述理論分析，對工作面采取的控制方法如下：

1）支架控制措施。改善支架初撐力，保證支架的初撐力＞20 MPa，同時加大對支架質(zhì)量的監(jiān)測力度，確保支架結(jié)構(gòu)對煤壁提供足夠的初撐力。

2）盡量避免大角度仰采。仰采時工作面前方煤體頂板巖層支撐力指向采空區(qū)，易使煤壁發(fā)生片幫，且仰斜角度越大，煤壁越容易失穩(wěn)。

3）煤壁采取提前松幫措施。當有大塊煤體滑落，煤壁片幫嚴重時，需對煤壁采取提前松幫措施，當采煤機割到煤層節(jié)理發(fā)育等容易發(fā)生片幫的地方，應提前往返收合幾下支架護幫板，讓軟弱煤壁提前片下，防止因大面積片幫而引起的機械損壞和人員傷亡。

4）對煤體采取超前注漿措施。8102工作面煤層較松軟，可針對松散破碎煤體及薄弱位置采取超前注漿加固措施，提高煤壁穩(wěn)定性。

5）分區(qū)段控制措施。由第2章煤壁失穩(wěn)機理，仰采段易發(fā)生片幫現(xiàn)象，穩(wěn)定性較差；俯采段煤壁未發(fā)生明顯片幫現(xiàn)象，穩(wěn)定性較好。因此，針對仰采階段煤壁失穩(wěn)情況，可對煤體采用木錨桿、玻璃鋼對煤壁的上部等軟弱位置進行加強支護；也可采取超前注漿加固措施。

6）加強礦壓監(jiān)測預報。不僅對煤壁礦壓進行實時監(jiān)測，也要對工作面頂板礦壓持續(xù)監(jiān)測，從而對工作面頂板來壓進行預測，及時采取防范措施，如確保支架穩(wěn)定性、適當降低采高等，保障工作面煤壁的穩(wěn)定性。

3.5 加固煤壁效果分析

通過對8102工作面煤壁采取上述穩(wěn)定性控制措施方案后，提升了煤壁的整體穩(wěn)定性，根據(jù)現(xiàn)場觀測知，加固后的工作面煤壁在回采推進時，基本無煤壁片幫現(xiàn)象的出現(xiàn)，工作面回采期間煤壁的破壞得到了有效的控制。

4 結(jié) 論

針對8102工作面回采期間出現(xiàn)的煤壁片幫現(xiàn)象，首先分析了俯仰開采的支撐壓力特點，得出了煤壁失穩(wěn)機理，然后通過UDEC數(shù)值模擬軟件對不同角度的支撐力分布特征進行模擬，并結(jié)合現(xiàn)場實測確定超前支承壓力影響范圍及液壓支架初撐力的大小，再根據(jù)工作面實際情況對煤壁控制措施進行具體設計。在對8102工作面采取穩(wěn)定性控制措施方案后，工作面回采期間基本無片幫現(xiàn)象出現(xiàn)，有效提高了煤壁穩(wěn)定性。