某礦松軟煤層工作面片幫分析及防治技術

陸樹飛

（煤炭工業(yè)石家莊設計研究院貴州分院）

高應力下松軟煤層是導致煤壁片幫的一個重要條件。實踐證明，煤體松軟是復雜的地質條件，極易引發(fā)頂板冒落，煤壁片幫等動力災害事故，對工作面正?；夭稍斐蓢乐赝{［1］。因此，對松軟煤層工作面片幫分析及防治技術的研究很有必要。鑒于此，諸多學者開展了大量有效的煤壁片幫機理與治理技術的研究，取得了很多可以指導現場實踐的成果。王家臣［2］提出了減緩煤壁壓力和提高煤體抗剪強度是防治極軟煤層煤壁片幫的主要技術途徑；袁永等［3］基于實測煤壁片幫特征，建立楔形滑動體模型；付寶杰等［4］利用卸荷巖體力學理論、斷裂力學理論建立了煤壁開挖卸荷效應模型，給出了楔形體結構失穩(wěn)判據；華心祝等［5］基于理論分析和數值模擬，提出了俯斜開采，采用“注漿+桁架錨桿”聯合支護技術。但是在煤炭資源實際生產過程中，煤壁片幫事故仍然時有發(fā)生，嚴重影響人身安全和工作面正常推進。因此，進一步開展煤壁片幫機理分析，并提出有效治理煤壁片幫措施，是大采高綜采取得良好經濟效益的根本保證。

1 工程背景

貴州某礦設計生產能力前期為1.2 Mt/a，后期經過技術改革，設計生產能力增加至2.6 Mt/a，服務年限接近50 a。該礦井總面積可達34 km2，其中走向長度可達12 km。礦井采用平硐式開拓和分區(qū)抽出式通風方式，并采用綜合機械化走向長壁開采方法。井田煤深較大，煤體和巖體相對軟弱，屬于高應力軟巖和松軟煤層，在工作面開采過程中時常出現煤壁片幫情況，對煤炭資源的安全高效開采起到極大的影響作用。

2 工作面片幫力學原理

2.1 煤壁頂板應力分布特征

長臂工作面的開采方法采用的是綜合機械化走向長壁開采，工作面為1 條垂直頂底板的的鉛直煤壁，工作面的頂底板只要靠液壓支架與前方煤壁支撐，后方采空區(qū)垮落矸石，矸石還沒有被重新壓實，因此支承壓力極小，此時整個綜采工作面形成“煤壁—支架—垮落矸石”支撐結構，導致在整個工作面煤壁與液壓支架上方支承壓力很大。如圖1所示，由于煤層賦存于地殼深部，煤層上覆積壓了很厚的巖體，因此工作面上覆巖層承載著來自上部深厚巖層與地表土層的載荷壓力，進而引起采空區(qū)頂板垮落和工作面煤壁片幫，甚至會出現液壓支架壓架事故。在工作面的不同區(qū)域，煤壁的超前支承壓力有所不同，工作面煤壁側，從工作面到煤壁深處，煤壁內依次會出現破損區(qū)域、塑性區(qū)域以及彈性變形區(qū)域，直至煤壁深處的原巖應力區(qū)域，工作面后方出現的是液壓支架支撐區(qū)以及采空區(qū)。在最接近液壓支架的煤柱，其煤層結構在工作面回采過程中被完全破壞，一次這部分的煤壁幾乎沒有支承應力，整個工作面回采活動對工作面頂板應力平衡造成擾動，使得原有的應力平衡被打破，工作面頂板應力降低至0，載荷不斷向煤壁方向傳遞，造成煤壁內部應力集中，對煤壁形成極大的破壞作用。由于煤層較深，煤體應力較大，煤層與巖體較為松軟，容易破裂，很難承載分布不均勻的載荷，因此，通常會出現工作面煤壁片幫事故。

2.2 煤壁片幫形態(tài)分析

工作面煤壁片幫主要與開采深度、開采方式、工作面布置、采厚、液壓支架工作阻力、回采速度，煤巖體物理力學參數（黏聚力、內摩擦角等）以及回采擾動強度等因素有關，這些因素都會引起煤壁內引力載荷傳遞；打破原有的應力環(huán)境，造成煤壁內應力分布不均勻。在覆巖與煤體重力作用下，松軟煤壁一側破裂后，沿著采空區(qū)方向存在相應的彈性能，這會促使次生節(jié)理與裂隙的進一步發(fā)育，進而引發(fā)煤壁片幫現象。煤壁片幫形式主要包括拉裂片幫和剪切片幫2 種形式，其中剪切片幫常見形式為重力滑落式，拉裂片幫主要包括壓剪式與劈裂式2 種形式，工作面煤壁的片幫形式具體見圖2。

通常情況下，當開采煤層煤質硬度較大時，煤壁主要發(fā)生拉裂片幫。發(fā)生拉裂破壞時煤層的抗拉強度滿足下式：

式中，Rt為煤的抗拉強度，MPa；p為頂板對煤體的壓力，MPa；K為應力系數；H為采高，m。

當開采煤層煤質硬度較小時，煤壁主要發(fā)生剪切片幫，這是由于煤體較為軟弱，煤壁在剪切面上產生的剪切力大于或者等于抗剪強度，進而導致剪切片幫的發(fā)生。煤壁發(fā)生剪切片幫時，煤層的抗拉強度滿足以下條件：

式中，S為剪切力，N；D為抗剪強度，MPa；h為剪切破壞高度，m；C為煤層黏聚力，MPa；N為剪切面法向應力，N；φ為煤層內摩擦角，（°）；θ為剪切面與煤壁之間的角度，（°）。

3 工作面片幫防治技術

3.1 片幫防治措施

工作面采高設計不合理，支架支撐強度與穩(wěn)定性不夠，煤壁煤體巖性太軟以及工作面推進太慢等是造成工作面煤壁片幫的主要原因。為了有效解決煤壁片幫問題，防治煤壁片幫災害發(fā)生，應當以工作面采高、回采速度、液壓支架性能以及煤體強度作為切入點，從多方面改善誘發(fā)煤壁片幫的條件，達到遏制松軟煤層煤壁片幫的目的。煤壁片幫具體防治技術如圖3所示。

通過實踐可以發(fā)現，采高越大，煤壁片幫可能性和片幫的劇烈程度就越大，尤其是松軟煤層在大采高條件下更容易發(fā)生片幫。因此，設計合理的回采高度，能夠有效控制頂板下沉并能減少煤壁片幫發(fā)生的可能與程度。①采煤工作面頂板重力主要靠煤壁與液壓支架支撐，煤壁上方壓力過大，煤壁的支撐能力較弱時，就會發(fā)生煤壁片幫現象。因此，增加液壓支架工作阻力和穩(wěn)定性，有效分擔煤壁支承應力，可以緩解煤壁片幫事故。②深部松軟煤體在受到高應力作用時極易發(fā)生破裂與變形，在煤壁處則主要表現為煤壁片幫的形式。煤體松軟就存在一定的蠕變效應，煤壁裸露的時間越長，受蠕變影響作用就越大，從而導致煤壁片幫的可能性增加。所以，提高采煤機工作效率，增加工作面回采速度，可減少煤壁裸露的時間，降低松軟煤壁發(fā)生蠕變的時間，進而減小煤壁片幫。③松軟煤層實施以注漿為核心的煤體加固措施，可有效改善煤巖體力學性能，使得煤體硬度增加，顯著提高松軟煤體抗拉抗壓以及抗剪強度。結合實際地質條件，分析由煤質物化參數引起的煤壁片幫內在原因，統(tǒng)計片幫主要發(fā)生的區(qū)域，設計合理的煤體注漿加固方案：在片幫頻發(fā)區(qū)域較為密集地打鉆注漿，在其他位置減小鉆孔密度，具體鉆孔深度為8 m，鉆孔排距最密集處為2 m，采用3 MPa 注漿壓力，向鉆孔中注射馬麗散加固劑。松軟煤層煤壁片幫防治措施中，最有效、最常用的方法是煤壁注漿加固技術，通常情況下，煤層高度、回采速度以及液壓支架性能很難改變，因此，使用煤壁注漿技術具有高效與便捷的優(yōu)勢。

3.2 煤壁注漿技術及效果

對工作面煤壁實施注漿加固處理，然后統(tǒng)計工作面推進100 m 不同區(qū)段的煤壁片幫次數，并與注漿前的數據進行對比，分析煤壁注漿加固前后煤壁片幫防治效果。

由圖4 可以看出，在采取煤壁片幫防治措施前，片幫主要發(fā)生在工作面中央，并沿著工作面兩側逐漸減小，而且煤壁片幫次數頻繁，每20個支架之間最高可發(fā)生9 次煤壁片幫事件，在工作面最邊上的20個支架之間至少也要發(fā)生2 次片幫事件。在采取煤壁片幫防治措施之后，片幫主要發(fā)生在工作面中央偏向運輸平巷一側，而且發(fā)生片幫的次數顯著減小，每20 個支架之間最多才發(fā)生2 次煤壁片幫事件，有些區(qū)域基本不發(fā)生片幫事件。這說明采取煤壁注漿加固的防治技術，有效降低了片幫發(fā)生的頻次，大大提高開采效率和安全性。

4 結 論

（1）通過對煤壁周圍應力分布特征和煤壁片幫形態(tài)的分析，得出了當開采煤層煤質硬度較大時，煤壁主要發(fā)生拉裂片幫，當開采煤層煤質硬度較小時，煤壁主要發(fā)生剪切片幫，并給予相應的理論推導。

（2）分析得出工作面采高，支架支撐強度，煤壁煤體巖性以及工作面推進速度等是造成工作面煤壁片幫的主要原因。綜合多方因素，提出煤壁注漿加固技術進行煤壁片幫治理。通過現場實踐證明了煤壁注漿加固技術能夠有效降低片幫發(fā)生的頻次。