厚煤層一次采全高煤壁失穩(wěn)原因及控制技術

陳 寧

（晉煤集團成莊礦生產(chǎn)部，山西 晉城 048006）

1 概述

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

隨著厚煤層一次采全高綜采工藝的推廣應用，由于采高較高導致煤壁穩(wěn)定性極差且存在嚴重的片幫問題，這些問題使其推廣應用被大大制約。為此，我國科技工作者開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)研大量工程實踐的基礎上，對大采高工作面應力分布特征及支架的阻力進行了分析研究，提出適合大采高的支架選型方法；弓培林、靳鐘銘等［3-4］人基于關鍵層理論，計算了大采高采場的兩帶高度，提出隨采高增加，兩帶高度呈臺階狀上升，每一個臺階代表一個其控制作用的關鍵層。在煤壁片幫方面：郝海金［5］運用數(shù)理統(tǒng)計的思想分析研究了大采高工作面片幫發(fā)生的機理；閆少宏［6］運用力學解析對大采高煤壁片幫機理進行了揭示；胡國偉通過數(shù)值模擬分析研究了大采高工作面的應力分布規(guī)律及塑性區(qū)擴展情況。

成莊煤礦四盤區(qū)采用了一次采全高的生產(chǎn)工藝，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了較為嚴重的片幫問題，嚴重制約了安全高效生產(chǎn)。本文以此對厚煤層一次采全高煤壁失穩(wěn)機理進行分析，并提出合理防控技術，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，結構較為簡單。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。結合四盤區(qū)煤層賦存特點，采用綜合機械化一次采全高采煤工藝。

3 煤壁片幫特征及失穩(wěn)機理分析

3.1 煤壁片幫特征分析

在工作面開采過程中，對四盤區(qū)煤壁進行了為期30天的片幫觀測及統(tǒng)計。根據(jù)所觀測情況，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?、底部片幫以及煤壁斜切片幫等，見圖1。

圖1 一次采全高煤壁片幫形式

在觀測期間，煤壁片幫共計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題較嚴重，嚴重制約了安全高效生產(chǎn)。

3.2 煤壁失穩(wěn)機理分析

綜合四盤區(qū)地質(zhì)采礦條件及煤壁片幫特征及失穩(wěn)機理分析可知，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，對于煤壁的失穩(wěn)機理分為應力控制型及結構控制型分述如下：

（1）應力控制型

工作面開采后，初始地應力被破壞，在煤壁前方出現(xiàn)超前支承壓力，且由于埋深較大，應力集中現(xiàn)象顯著，當煤體極限強度小于支承壓力時，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張，當裂隙擴展到煤體邊界，煤壁處煤體發(fā)生剝離，由于裂隙擴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）結構控制型

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

4 大采高煤壁穩(wěn)定性控制技術研究

根據(jù)四盤區(qū)大采高煤壁失穩(wěn)機理分析可知，煤壁的失穩(wěn)主要是受應力與構造共同影響，據(jù)此，針對不同情況采取針對性防控措施，以期到達煤壁狀態(tài)穩(wěn)定，實現(xiàn)高效安全生產(chǎn)。

4.1 頂板超前預爆破技術

四盤區(qū)埋深較大、頂板堅硬，在開采過程中易形成超前支承壓力集中及大面積懸頂現(xiàn)象，因此，采用超前預爆破方法處理堅硬頂板能夠有效防控應力控制煤壁失穩(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，具體布置方案見圖2。同時，在工作面前方100 m開掘與巷道平行的鉆孔巷道，并進行切斷孔作業(yè)。

圖2 切斷鉆孔布置

4.2 煤壁超前預加固技術

針對煤壁受構造影響造成的破碎問題，采用超前預加固，對破碎煤體進行注漿膠結，保證煤壁成為一個強度較高的穩(wěn)定結構體。其加固孔布置主要沿走向及傾向進行布置。

（1）走向加固孔

在煤壁處布置注漿孔采用雙排錯位形式，孔深10 m，孔徑不小于Φ42 mm，間距不小于3.5 m（具體布置需按實際進行適當調(diào)整），具體布置方案見圖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，對超前煤壁5～10 m區(qū)域注漿進行煤壁加固。鉆孔距頂板距離為1.5～2 m，間距不大于4 m，封孔長度不小于8 m，孔徑Φ不小于75 mm，具體布置方案見圖3（b）。

圖3 注漿鉆孔布置方案

5 應用效果

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)采礦條件，沿支架依次在煤壁每5架布設一個觀測點，共記布設23個位移觀測點，觀測周期為14日歷日，以檢驗頂板超前預爆破技術與煤壁超前預加固技術實施后對四盤區(qū)大采高煤壁片幫的控制效果。

根據(jù)不同日期測得數(shù)據(jù),對煤壁片幫的深度和高度進行了分析。發(fā)現(xiàn)在實施控制手段后，煤壁片幫情況較未實施有較大改善，日平均深度為106 mm，日平均高度為90 mm，其中，實施后的8、11、14日煤壁水平移進量較大，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。

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

6 結語

1）通過觀測分析，發(fā)現(xiàn)成莊煤礦四盤區(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；進一步分析得到煤壁失穩(wěn)發(fā)生機理主要受大埋深、硬頂板及煤體裂隙發(fā)育所影響，煤壁的失穩(wěn)機理被劃分為應力及結構兩種控制類型。

2）根據(jù)對煤壁的失穩(wěn)機理分析發(fā)現(xiàn)煤壁的失穩(wěn)受應力與構造共同作用，因此提出綜合運用對頂板超前預爆破與煤壁超前預加固技術來實現(xiàn)對大采高煤壁穩(wěn)定性進行控制，取得了較好片幫控制效果，經(jīng)濟效益也較顯著。