掘進巷道煤壁片幫機理分析及控制技術(shù)研究

王靖超

（晉能控股煤業(yè)集團寺河煤礦，山西 晉城 048000）

在我國煤炭資源中厚煤層的總賦存量超過40%，根據(jù)厚煤層資源的開采要求，對回采系統(tǒng)進行開發(fā)時，煤層厚度要高于沿底掘進成巷的回風(fēng)順槽和工作面運輸?shù)母叨?，煤層通常在這種巷道的兩幫和頂板上，在掘進工作中，因為圍巖穩(wěn)定性非常差，再加上煤層應(yīng)力較為集中，強度不高等原因，巷道掘進頭片幫現(xiàn)象由此產(chǎn)生，這種現(xiàn)象不僅對掘進工作中的銜接問題有很大影響，還會對掘礦的速度有嚴重影響，更甚者會給礦井的生產(chǎn)效率和安全問題帶來極大隱患。對于以上隱患，利用理論力學(xué)原理，學(xué)者韓玉鑒[1]對掘進工作面的煤壁受力做了研究，后提出了將煤體的抗剪強度和內(nèi)聚力不斷提升，并且改變煤體的力學(xué)性能是掘進工作面煤壁片幫的最佳途徑，經(jīng)過多次力學(xué)實驗證明，煤體的抗剪強度可以通過提升煤體含水率來有效地進行改變，該實驗對控制煤壁片幫有很大遏制作用。在掘進工作中對于煤壁前方0～10 m處無差別、且大范圍的注水，對煤壁注水從煤的力學(xué)性能上雖然得到了片面的改變，也帶來了一定的效果，但從根本上講，這種方法不光操作過程極為繁瑣，相應(yīng)的成本也將會非常高昂，很難在現(xiàn)實中推廣開。另一位學(xué)者薛明[2]通過對FLAC3D數(shù)值模擬的利用，研究了在掘進工作中，對煤壁穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的相關(guān)因素，如巷道的支護強度、斷面尺寸、圍巖性質(zhì)、巷道垂深和巷道位置等因素，并且對在掘進工作中出現(xiàn)迎面封護的問題提出了相應(yīng)的處理措施?，F(xiàn)有的研究大多處于數(shù)值模擬與理論推導(dǎo)方面，雖然從實驗中得到了很多有效的結(jié)論，但是對于煤礦井下的實際操作仍存在局限性，只是給出一些解決問題的方向。

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團某礦位于71號采區(qū)的7106運巷，3號煤層為該采區(qū)的核心采集目標(biāo)，7106運巷的地理位置，東邊是井田邊界，南面是沒有采集的區(qū)域，西面緊連71號采區(qū)的皮帶巷，北面則是保護煤柱。在這個工作區(qū)域中，煤層的相對厚度起伏不大，煤層下部夾矸不高于0.05 m，煤層的傾斜角度不超過1°～7°，煤層厚度大約在7.25 m；其中，細粒砂巖平均厚度不超過3.21 m，老底為厚度可達2.7～3.9 m；粗沙巖平均厚度不超過2.81 m，老頂為厚度可達2.3～3.5 m；炭質(zhì)泥巖的平均厚度不超過3.12 m，直接底為厚度可達2.4～3.8 m；沙質(zhì)泥巖的平均厚度不超過5.15 m，直接頂為厚度可達3.5～6.8 m。通過對三維地震勘探以及附近巷道情況的相關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)的分析，在此施工范圍內(nèi)，不存在地質(zhì)構(gòu)造方面的隱患。從整體上看，這一面是一種單斜構(gòu)造，依據(jù)山體由西向東傾斜。從總體上看它的條件都尤為簡單。

7106運巷掘進路線是沿3號一煤層底板開始，初始的設(shè)計總長度為1 478 m，該巷道的斷面為矩形，凈斷面積為16.00 m2，實際的斷面積為17.16 m2，凈高為3.2 m，實際的掘進高度為3.3 m，凈寬為5.0 m，實際的掘進寬度為5.2 m，全煤巷道是順槽，順槽的主要任務(wù)是7106工作面工作人員通行任務(wù)和煤流運輸?shù)倪M出任務(wù)。

在掘進時，順槽使用的支護方式是用3寸的鋼管兩根，每根長5 m，來作為前探梁，接著需要把巷道上的第二根和第五根錨桿，使用4個前探梁來加以固定，臨時護頂需要使用一塊優(yōu)質(zhì)松木板，它的長可以是4 000 m，寬是150 m，厚是50 m，而絞頂則需要一個大的木楔，規(guī)格是長500 m，寬200 m，高150 m。使用一根2.5寸的鋼管，它的長是700 m，在這根鋼管的一端焊接一塊鋼板，鋼板的厚度為8 mm；使用一根1寸的鋼管，長是1.5 m；在距離端頭的兩個位置用圓鋼焊接直徑為10mm的掛鉤，分別是300mm和1400mm；在距離端頭40 mm的地方打一個聯(lián)接孔，它的直徑是16 mm；焊制邊框則需要用尺寸是1寸的鋼管，邊框中需要焊接菱形網(wǎng)片，它的規(guī)格為長35 mm，寬為1 000 mm，加固邊框則需要使用兩個鋼管焊接在邊框中部，兩個鋼管的間距為1.0 m。盡管如此，在工作面工作時片幫現(xiàn)象依舊多次出現(xiàn)。

2 掘進工作面煤壁片幫機理分析

在跟蹤調(diào)查掘進工作面工作期間，煤壁片幫現(xiàn)象曾多次出現(xiàn)過，如圖1所示素描圖為煤壁片幫。在掘進推進方向上，工作面片幫高度不超過2.7 m，深度不超過0.7 m，而由此片幫產(chǎn)生的冒頂深度不超過1.2 m，這樣會給掘進工作面的安全高效工作帶來很大的影響。

圖1 掘進工作面煤壁片幫素描圖

在工作面掘進時，片幫現(xiàn)象依舊多次發(fā)生，究其主要原因，媒體的極限強度遠遠低于應(yīng)力的集中程度，而工作面在掘進時，就會使得煤體前方應(yīng)力失去原有的平衡，導(dǎo)致煤壁自由端應(yīng)力聚集在一起，從而發(fā)生片幫。

將材料中的力學(xué)知識運用到實驗中，一是集中煤壁前方的應(yīng)力qh，通過開采擾動來完成；二是煤體本身和頂板之間通過摩擦作用產(chǎn)生的摩擦力Ff。以上兩種情況是煤壁在不同受力中需要完成的兩種模型。

1）如圖2所示，如果qh＞Ff，可知，將煤壁受力加以簡化，成為懸臂梁結(jié)構(gòu)式的“一邊自山，一邊固支”，此時彎矩用M表示，頂板壓力則用p來表示。結(jié)合材料力學(xué)的知識，梁的最大撓度會出現(xiàn)在懸臂梁的自由端。也就是頂板和工作面煤層相接觸的面，則最大擾度。其中：q為煤壁前方的最大載荷，kN/m；I為慣性矩，m4；E為彈性模量，kN/m2；h為工作面煤壁高度，m。

圖2 煤壁受力模型

2）如圖2所示，當(dāng)qh＜Ff時，在這種情況下，可以進行煤壁受力向梁模型的轉(zhuǎn)化，以“一邊固支一邊簡支”的形式，根據(jù)材料力學(xué)的理論知識可得，這種梁在頂板下端0.42h處的撓度達到最大，其值為Wmax=

3 掘進工作面煤壁防片幫措施

3.1 淺孔注水

根據(jù)相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，在煤壁自由端處于頂層的位置分布有大斷面掘進工作面片幫，因此，應(yīng)該要對在自由端淺層的煤層進行人為操作，提升煤層的抗剪強度和內(nèi)聚力，能夠徹底的避免煤層進行連續(xù)片幫。采用淺孔注水片幫的方式，能夠有效地對煤壁片幫進行調(diào)控，此外，還能夠使掘進工作面注水作業(yè)的復(fù)雜程度明顯地減小，防止對掘進作業(yè)的大量阻礙，降低工作面逸塵，減輕員工的勞動強度。如圖3所示為鉆孔的布置圖，在進行原臨時支護前，應(yīng)該將潛孔注水操作階段進行增加，鉆孔在巷道外表面線向內(nèi)0.5 m，在間距為1.0 m處分布有8個鉆孔的位置，孔的直徑為42 mm，孔的深度為4.0 m，傾斜角為20°，向上傾斜，注水壓力為3～5 MPa，實踐超過30 min，一個孔的注水量要達到2 500 L以上，直到孔內(nèi)有大量的水溢出為止。

圖3 掘進工作面鉆孔布置圖（單位：mm）

3.2 效果檢測

在對7106運巷進行掘進的操作中，沒有找出煤壁片幫事故，此外，在對煤壁0～2 m之間通過鉆孔進行觀看，在煤壁0～2 m之間煤體的性質(zhì)還是比較好，從而使用淺孔注水的措施能夠有效地提高煤壁的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1）本文分析的運巷是大斷面全煤巷道，軟巖分布在巷道圍巖。在進行巷道作業(yè)時，在應(yīng)力二次分布的影響下，以及掘進過程的阻礙下，容易出現(xiàn)煤壁片幫的現(xiàn)象，煤壁片幫主要有上部、中上部、混合冒頂片幫三種。

2）通過“梁”相關(guān)理論的研究，能夠發(fā)現(xiàn)掘進工作面主要片幫的位置分布在頂板下端和煤壁上面，在0.42倍的巷高處，該處的位置為避免煤壁片幫的主要點。

3）針對避免煤壁片幫的相關(guān)問題，采用“淺孔注水”措施解決，并列出主要的技術(shù)參數(shù)，通過結(jié)合實際運用，發(fā)現(xiàn)該方案可行度高，效果良好。