華潤煤業(yè)205工作面煤壁片幫治理技術(shù)

張 新

（山西潞安工程勘察設(shè)計咨詢有限責任公司，山西 長治 046200）

在對煤炭資源進行回采時煤層賦存條件易受到斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的影響［1-2］，同時煤層埋深加深、煤層傾角起伏加大，同一井田中的煤層物理力學性質(zhì)也存在著較大的差異［3-4］。在這些因素的共同作用下，勢必會給礦井的安全高效開采帶來較大的影響［5］。在采深一定的情況下，研究工作面長度和煤層傾角對煤壁片幫的影響，并在此基礎(chǔ)上采取有效的控制措施對于保障礦井的安全高效開采和提高礦井回采率有著重要的意義［6-7］。

華潤煤業(yè)205工作面長度較長，煤層傾角變化較大，回采期間煤壁片幫次數(shù)較多。為此，本文試圖探究工作面長度和煤層傾角對煤壁片幫的影響，并提出有效的技術(shù)控制措施。

1 工程概況

205工作面位于華潤煤業(yè)井田東部，埋深為500 m，所采煤層主要為3#煤層，該煤層內(nèi)生裂隙發(fā)育、性脆易碎，煤巖組分主要以亮煤為主并夾有鏡煤條帶和少量的暗煤，煤層厚度2.8～4 m，平均煤厚3.5 m，煤層傾角1°～12°。工作面沿煤層傾向布置，沿煤層走向推進，其中沿傾向布置長度為250 m，沿走向推進長度為1513 m。205工作面采用單一走向長壁采煤法，后退式綜合機械化采煤工藝，一次采全高，全部垮落法處理采空區(qū)。工作面所使用的采煤機型號為MG300/730-WD，割煤方式為雙向割煤，平均采高3.5 m，截深0.6 m。工作面端頭采用6 架ZZG6800/19/38型過渡支架配合單體柱支護，工作面頂板用94架ZZ6800/19/38型液壓支架支護。在205工作面回采期間，煤壁片幫事故頻發(fā)，嚴重制約著礦井的安全高效開采。

2 巷道圍巖原位實測

為了分析205工作面煤壁片幫事故頻發(fā)的原因，本文采用了實驗室力學實驗、理論計算、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場監(jiān)測的方法對其進行了詳細的研究。

2.1 工作面頂?shù)装鍑鷰r力學參數(shù)測試

為了探究工作面煤壁片幫的原因，需要對工作面頂?shù)装宓膰鷰r賦存狀況以及各層圍巖的物理力學性質(zhì)做一個詳細的了解。首先，在頂?shù)装暹x取合適的位置進行打鉆取芯，之后將所取巖芯做進一步加工后將其密封并帶回實驗室，采用電液伺服萬能試驗機對各巖層的巖樣進行物理力學參數(shù)測試，現(xiàn)場測試見圖1。

圖1 頂?shù)装鍑鷰r強度測試

將各巖層的賦存狀況及物理力學參數(shù)測試結(jié)果統(tǒng)計見表1。

表1 巷道頂?shù)装鍑鷰r賦存狀況及力學參數(shù)統(tǒng)計

由表1可知3#煤層平均厚度為3.5 m，直接頂為3.7 m的泥巖和3.2 m的粗砂巖，老頂為5.4 m的砂質(zhì)泥巖和8.6 m的粉砂巖。直接底為泥巖，該泥巖厚度較大，達到了6.5 m。由各巖層的物理力學參數(shù)測試結(jié)果可知，3#煤抗壓強度較低，直接頂泥巖的強度僅為12.4 MPa，低于同類巖層，泥巖之上的粗砂巖強度有所提高，砂質(zhì)泥巖的圍巖完整性較好。

2.2 工作面液壓支架初撐力驗證

由2.1節(jié)中可以看出煤層直接頂為泥巖，該巖層強度較低，在采動影響下容易出現(xiàn)垮落，頂板巖層垮落過程中若發(fā)生過度回轉(zhuǎn)，則煤壁將承受著較強的頂板壓力，從而誘發(fā)煤壁片幫事故的發(fā)生。因此，對頂板的有效管理對于保持工作面煤壁的穩(wěn)定性具有直接影響。

（1）液壓支架初撐力計算

式中：P2為工作面頂板支護需要支架的工作阻力，kN；n為動載系數(shù)1.5～2.0，周期來壓時取大值，周期來壓不明顯時取小值，這里取1.5；∑h為采空區(qū)頂板跨落高度，∑h=M/（K-1）；M為工作面采高，取3.5 m；K為巖石碎賬系數(shù)，取1.35。

∑h=3.5/（1.35-1）=10 m

式中：r為頂板巖石容重，根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)勘探資料將該值取為2.73 t/m3；s為支架最大控頂距時支護面積，取7.8 m2；g為重力加速度，約9.8 N/kg；a為煤層傾角，取平均值5°。

將上述 參數(shù)代入式（1）中，則P2=（1.5+1）×10×2.73×7.8×9.8×cos7°=5178 kN，即工作面液壓支架的初撐力需達到5178 kN才能滿足正常的工作要求。

（2）液壓支架初撐力現(xiàn)場監(jiān)測

為了驗證工作面液壓支架初撐力的設(shè)定是否合理，對工作面94架ZZ6800/19/38型液壓支架的初撐力進行了現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖2。

圖2 工作面液壓支架初撐力分布柱狀

從圖2中可以看出工作面 94架液壓支架的初撐力主要分布在4500～5000 kN之間，初撐力處于該范圍內(nèi)的液壓支架達到了72架，占到了總架數(shù)的76.6%，初撐力處于5000～5500 kN范圍內(nèi)的液壓支架為13架，處于5500～6000 kN范圍內(nèi)的液壓支架最少，僅有9架，占到了總架數(shù)的9.6%。

根據(jù)理論計算和現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果可知205工作面液壓支架的初撐力整體偏小，不能對頂板進行有效地支撐，導致煤壁承受著較強的頂板壓力。

3 工作面傾向長度、傾角對煤壁穩(wěn)定性的影響

若工作面沿傾向布置長度較長、煤層傾角過大，必然會對工作面煤壁的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，為了研究工作面傾向長度、傾角對于煤壁穩(wěn)定性的影響規(guī)律，本文以205工作面為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對其進行分析。所建模型的幾何尺寸為300 m×300 m×165 m，共劃分網(wǎng)格單元138756個，由于模擬深度為500 m，故在模型上部邊界施加12.5 MPa的垂直應力，側(cè)應力系數(shù)取為1.2，依據(jù)205工作面液壓支架的型號及其參數(shù)，在工作面控頂區(qū)范圍內(nèi)施加垂直于頂板1 MPa的應力。

3.1 工作面傾向長度對煤壁穩(wěn)定性的影響

由于煤壁塑性區(qū)的分布范圍對于煤壁片幫具有直接影響，且205工作面沿傾向的實際布置長度為250 m，為了探究工作面傾向長度對煤壁穩(wěn)定性的影響，在數(shù)值計算中著重對工作面沿傾向布置長度150 m、250 m、350 m條件下，煤壁塑性區(qū)的分布范圍進行數(shù)值分析，其分析結(jié)果見圖3。

圖3 在不同工作面長度下采場圍巖塑性區(qū)分布

從圖3中可以看出，工作面沿傾向的布置長度對工作面圍巖的塑性區(qū)分布具有一定的影響，工作面長度為150 m時，采場圍巖塑性區(qū)分布范圍較小，其中煤壁前方圍巖的塑性區(qū)面積為11.3 m2，塑性區(qū)深度為3.1 m。當工作面長度為250 m時，煤壁前方的塑性區(qū)面積為12.4 m2，塑性區(qū)深度為3.7 m，與150 m條件下相比，分別僅增長了9.7%和16.2%。當工作面長度為350 m時，采場圍巖塑性區(qū)分布范圍增加明顯，煤壁前方圍巖塑性區(qū)的面積和深度分別達到了14.5 m2和4.7 m，與150 m條件下相比，塑性區(qū)面積和深度分別增加了28.3%和51.6%。由此可知，150 m條件下和250 m條件下煤壁前方圍巖塑性區(qū)分布范圍相近，為了提高生產(chǎn)效率，205工作面傾向長度布置為250 m較為合理。

3.2 工作面傾角對煤壁穩(wěn)定性的影響

由于205工作面煤層傾角變化較大，為分析工作面傾角對于煤壁穩(wěn)定性的影響，本文著重研究工作面傾向長度為250 m，工作面傾角分別為0°、6°和12°時的煤壁塑性區(qū)分布規(guī)律，其數(shù)值分析結(jié)果見圖4。

圖4 工作面在不同傾角下采場圍巖塑性區(qū)分布

從4圖中可以看出，當工作面傾角為0°時，煤壁前方圍巖塑性區(qū)分布面積為12.4 m2，深度為3.7 m，當工作面傾角由0°增加至6°時，煤壁前方圍巖塑性區(qū)分布面積為13.3 m2，深度為4 m。當工作面傾角繼續(xù)增加至12°時，采場圍巖的塑性區(qū)分布范圍增加明顯，其中煤壁前方的塑性區(qū)深度增加至5.2 m，分布面積則達到了16 m2。工作面傾角為6°和12°時煤壁前方圍巖塑性區(qū)的分布面積和深度與工作面傾角為0°時相比分別增加了7.1%、29%和8.1%、40.5%，由此可見工作面煤壁前方的塑性區(qū)分布范圍會隨著工作面傾角的增大而增加。

4 煤壁片幫治理措施

通過上述分析可知，工作面傾角的大小、煤層直接頂?shù)膸r石力學性質(zhì)以及工作面液壓支架的初撐力大小是影響工作面煤壁片幫的主要原因。鑒于此，本文提出以下控制措施：

（1）將液壓支架初撐力統(tǒng)一提高至5200 kN。

（2）當工作面仰采角度大于10°時，在煤壁距頂板1.5 m處加打6.4 m的傾斜錨索用以維護煤壁穩(wěn)定性。

（3）若工作面回采至煤層較為破碎的區(qū)域，對煤壁進行超前注漿，注漿材料選用馬麗散。

5 現(xiàn)場觀測

205工作面通過所提出的治理措施進行治理后，對其煤壁片幫次數(shù)進行了為期30天的現(xiàn)場觀測，觀測結(jié)果見圖5。

圖5 工作面煤壁片幫觀測結(jié)果

從圖中可以看出工作面在治理前的一個月里，煤壁片幫事件共發(fā)生了86起，對工作面優(yōu)化管理后，在一個月的觀測時間里，片幫事件僅發(fā)生了12起，與優(yōu)化前相比減少了86%，煤壁穩(wěn)定性得到了較好的控制。

6 結(jié)語

1）研究結(jié)果表明，煤層、直接頂巖層強度較低，液壓支架初撐力不足以及工作面傾角變化較大是造成205工作面煤壁片幫事故頻發(fā)的主要原因。

2）液壓支架初撐力增加至5200 kN，且當煤層傾角較大、煤質(zhì)較破碎時，對煤壁采取增打錨索和超前注漿的聯(lián)合控制措施對工作面頂板進行綜合管理，可以有效減少煤壁片幫事故的發(fā)生。