豎向裂隙發育煤層大采高綜放開采煤壁片幫失穩機理及其控制?

賈永生楊敬軒劉錦榮

（1.大同煤礦集團有限責任公司，山西省大同市，037003；2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221116）

豎向裂隙發育煤層大采高綜放開采煤壁片幫失穩機理及其控制?

賈永生1楊敬軒2劉錦榮1

（1.大同煤礦集團有限責任公司，山西省大同市，037003；2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221116）

針對大同礦區塔山煤礦豎向裂隙發育煤層大采高綜放開采典型煤壁片幫特征，基于壓桿理論分析和實測研究，探討了豎向裂隙發育煤層煤壁片幫失穩機理。理論計算得到了豎向裂隙發育煤層煤壁片幫臨界穩定關系及對應的臨界作用力，通過提高煤巖摩擦系數、降低煤壁條狀煤體重心提高工作面煤壁的穩定性。結合塔山礦8105工作面大采高綜放開采條件，采用煤層深孔內充水承壓微爆破技術，取得了大采高煤壁片幫良好防治效果。

大采高綜放 煤壁片幫 裂隙發育 臨界作用力 承壓爆破

大采高煤層綜放開采空間大，覆巖擾動范圍廣，加之采動影響，工作面煤壁穩定性較差，導致開采過程中煤壁片幫頻發，嚴重影響工作面的正常生產。因此，大采高條件下的煤壁片幫機理與防治一直是熱點研究議題。大同礦區塔山礦8105工作面是大采高綜放面，煤層豎向裂隙發育，因而煤壁片幫機理獨具特點。基于不同煤層賦存和開采條件下的煤壁片幫機理與防治問題研究成果，考慮中部水平集中力的影響，采用壓桿理論分析豎向裂隙發育煤層煤壁片幫機理，為該條件下煤壁片幫有效防治技術提供依據。

1　煤層地質及工作面煤壁片幫誘發因素分析

1.1煤層地質概況

塔山礦8105大采高綜放面地表標高+1352～1568 m，井下標高+1015～1038 m，煤層平均厚度16.8 m，傾角1°～3°，工作面傾向長度207 m，走向長度2965 m，機采割煤高度4.2 m，煤層普氏系數2.7～3.7，屬復雜結構煤層，豎向節理較為發育。煤層直接頂為巖漿巖、炭質泥巖、泥巖、硅化煤交替賦存，厚度5.82 m，基本頂為粉砂巖、細砂巖與含礫粗砂巖，厚度18.84 m，直接底為高嶺質泥巖，厚度4.87 m。

1.2裂隙發育煤層煤壁片幫誘發因素分析

（1）8105綜放面開采空間大，覆巖活動擾動范圍廣，煤層開采后的頂板活動與采場空間效應是導致煤壁片幫頻發的根本原因。

（2）大采高煤層開采后的煤體高應力是誘發煤壁片幫的直接因素之一。高應力作用下煤體壓縮變形大，拉剪破壞區域分布廣，裂隙發育、貫通程度高，煤壁失穩破壞幾率明顯增加。

（3）工作面煤體豎向裂隙發育條件下，煤壁煤體被分割成條狀，加之煤壁自由面影響以及瘦高條狀煤體自身穩定性差，在水平擠壓力、重力和開采擾動的共同作用下容易產生煤壁片幫。

綜上，誘發大采高綜放面煤壁片幫的因素復雜多變，諸因素間相互關聯且對煤壁片幫程度的響應也不明確，因此為有效防控工作面大面積片幫的產生，首先應弄清豎向裂隙發育煤層工作面煤壁片幫失穩機理。

2　豎向裂隙發育煤層煤壁片幫失穩機理

2.1工作面煤壁片幫特征分析

8105工作面開采過程中工作面中部位置頻繁發生煤壁片幫，局部位置煤壁嚴重片幫引發冒頂，嚴重影響工作面的正常生產。工作面推進過程中觀測的幾次煤壁片幫數據，如圖1所示。

圖1　工作面煤壁片幫尺寸

從圖1可以看出，8105工作面煤壁片幫尺寸相對較大，煤壁片幫平均高度在3.4 m左右，平均片幫深度達到了1.1 m，煤壁片幫影響平均寬度約為5.2 m。

2.2豎向裂隙發育煤層煤壁片幫失穩模型

煤層豎向裂隙發育是8105工作面煤壁片幫中獨具特點的誘發因素。豎向裂隙的存在導致工作面煤層被分割成豎向長條簇狀結構，因此采用壓桿理論模擬分析豎向裂隙分割條件下的煤壁片幫失穩機理具有一定的合理性。鑒于工作面實體煤內不同深度位置處的應力狀態有所區別，建立存在中部等效集中力的壓桿模型，如圖2所示。

圖2　豎向裂隙發育煤層煤壁片幫模型

圖2中坐標原點設置于煤層底部，根據圖2（b）、圖2（c）所示的壓桿任意截面位置彎矩平衡條件及壓桿理論中的撓曲位移關系，得到壓桿撓曲位移表達式為:

式中:F0——煤層頂部豎直受力；

F1——煤層頂部水平受力；

E——壓桿彈性模量；

I——壓桿截面慣性矩；

k—煤層臨界作用力無量綱因子；

X——煤層中部受力作用位置；

d1——煤層頂部片幫偏移量；

h——煤層厚度；

x——壓桿任意截面位置坐標；

y——壓桿撓曲位移。

求解后得到方程式的通解為:

式中:y1——壓桿中下部位置的撓曲位移；

y2——壓桿中上部位置的撓曲位移；

A1、A2、B1、B2——待定常數。

根據壓桿兩端面及中部集中力作用位置的位移和受力連續條件，得到壓桿臨界穩定關系滿足:

式中:M0——煤層底部彎矩；

δ1、δ2——中間參量。

假定煤層頂部水平力F1由煤層和頂板摩擦產生，并取煤巖摩擦系數為μ，代入式（3），得到壓桿臨界穩定關系為:

式中:μ——煤巖摩擦系數。

以大同礦區塔山礦8105綜放面為例，分析壓桿臨界受力與煤壁片幫誘因之間的關系，為合理片幫治理措施的提出以及合理技術參數的確定提供依據。

2.3裂隙發育煤層片幫臨界作用力的確定

根據8105綜放面煤壁片幫觀測分析，煤層頂部平均片幫深度為1.1 m，工作面煤層機采高度為4.2 m，分析煤壁中部（X=0.6、1.5、3.0）受力情況下的煤層臨界作用力無量綱因子和摩擦系數間的關系，如圖3所示。

圖3　煤層臨界作用力無量綱因子與摩擦系數間的關系

已知式（4）是關于壓桿臨界穩定關系的多值函數，其間必存在合理的臨界無量綱因子k值。由于煤壁臨界作用力與無量綱因子之間成正相關關系，同時，從研究問題的物理實際出發可知煤體摩擦系數越高將越有利于煤壁的穩定，對應的煤壁失穩臨界作用力也越大，此時煤壁臨界作用力與摩擦系數間也應滿足正相關關系，因此對應的無量綱因子與摩擦系數之間不會以負相關關系存在，即圖3所示的0.35水平線以下的負相關關系曲線是不具備現實物理意義的，因而對應煤壁臨界失穩作用力的最小臨界無量綱因子k值應為0.35，并由此確定煤壁臨界失穩作用力為:

式中:F0l——煤壁臨界作用力。

同理，分析煤巖摩擦系數分別為μ=0.20、0.35、0.55情況下，煤層臨界作用力無量綱因子與其中部集中力作用位置間的關系，如圖4所示。

圖4　臨界作用力無量綱因子與其中部集中力位置間的關系

同前述理由，根據圖4可以確定合理的臨界無量綱因子k值仍為0.35，因此最終確定壓桿穩定狀態下的臨界受力仍滿足關系式（5）。

8105工作面煤壁片幫誘發因素較多，為合理有效地規避工作面煤壁大面積片幫發生，還應找出眾多因素中的主控、敏感因素。根據前述分析得到的煤層煤壁失穩臨界作用力無量綱因子，代入煤壁片幫臨界穩定關系式（4），得到煤巖摩擦系數與中部集中力作用位置間的關系，如圖5所示。

圖5　煤巖摩擦系數與中部集中力作用位置間的關系

從圖5可以看出，當煤巖摩擦系數相對較小（μ＜0.33）時，其與中部作用力位置間呈現多值、間斷特點，該情況下煤壁片幫發生對煤巖摩擦系數與中部作用力位置兩因素較為敏感；當煤巖摩擦系數相對較大（μ≥0.33）時，其與中部作用力位置間則表現出反向相關關系，對應的煤壁中部作用力位置相對偏低。由此可見，煤礦現場生產中，如能提高煤巖摩擦系數，降低煤壁受力重心，將十分有利于工作面煤壁的穩定。

3　深孔充水承壓微爆防治煤壁片幫及效果

煤巖深孔內充水承壓爆破具備高能效、超動載靜態破巖特點。針對塔山礦8105工作面煤層條件，采用深孔充水承壓微爆技術，可以減小煤壁片幫落塊體尺寸，改變煤壁原次生裂隙的規則排序，通過爆生裂隙的縱橫交叉、貫通，勾連煤體原次生裂隙，形成煤壁近區實體煤內的裂隙織網結構，煤體內裂隙織網交叉咬合，增強分割塊體間的摩擦力與粘結力，同時還可降低煤體結構重心及中部集中作用力位置。

鑒于8105工作面傾向長度較大，從工作面兩端的回采巷向煤體內打鉆實施難度大，且實際生產中僅工作面中部位置頻繁片幫，因此采取在工作面傾向中部位置實施打鉆放炮進行煤層超前預裂的工藝措施，爆破預裂鉆孔布設參數如圖6所示。

圖6　爆破預裂鉆孔布設參數

視工作面傾向中部煤壁片幫影響范圍，可實施多組鉆孔，組間距為3 m，每組布置上、下兩個鉆孔。上位鉆孔孔口距底板1.1 m，封孔底端距煤層頂板距離為1.5 m，鉆孔長度12.7 m左右，仰角為12°，裝藥長度約6 m，封孔長度5.7 m；下位鉆孔孔口距底板0.8 m，鉆孔長度約13.8 m，仰角7°，裝藥長6 m，封孔長度6.8 m。采用手持式氣腿鉆機進行深孔打鉆，鉆孔直徑為42 mm，成孔直徑約44 mm。深孔內充水承壓微爆工藝的循環打鉆距離為6.4 m，即每當工作面推進6.4 m，及時在工作面中部位置進行下個爆破循環，即打鉆-裝藥-封孔-起爆工序。

塔山礦井下靜壓水壓力為2.0 MPa，根據裂隙發育煤層的壓力水濾失特點，選取內徑為6 mm的注水管即可滿足煤層孔內持水狀態要求；選用的粉狀乳化炸藥裝藥前需加裝防水袋，炸藥直徑為40 mm，鑒于承壓爆破效能高，單孔內裝藥4.0 kg，并通過導爆索進行起爆。

8105工作面試驗實施深孔內充水承壓微爆技術措施后，工作面煤壁片幫得到有效改善。工作面推進過程中煤壁片幫頻次有所減少，片幫影響范圍顯著減小。觀測得到的煤壁片幫尺寸，如圖7所示。

對比圖1和圖7中相應的煤壁片幫數據，采取深孔內充水承壓微爆技術措施后，豎向裂隙發育煤層工作面煤壁片幫得到了極大改善，平均片幫深度降為0.5 m左右，煤壁片幫影響平均寬度降為3.3 m左右。

圖7　微爆處理后的煤壁片幫尺寸

4　結論

（1）塔山礦8105大采高綜放面煤層豎向裂隙發育是工作面煤壁片幫中獨具特點的誘發因素。豎向裂隙的存在導致工作面煤層被分割成豎向長條狀結構，因此采用壓桿理論模擬分析了豎向裂隙分割條件下的煤壁片幫失穩機理，得到了該條件下的煤壁片幫臨界穩定關系式。

（2）針對8105工作面生產條件，計算得到豎向裂隙發育煤層大采高綜放面煤壁片幫失穩臨界作用力，分析了煤巖摩擦系數和中部集中力作用位置間的關系，為合理煤壁片幫防治措施的提出與參數選取提供了依據。

（3）提出了工作面中部打鉆的煤層深孔內充水承壓微爆破防治片幫技術，確定了合理的打鉆尺寸、孔內裝藥結構以及深孔承壓微爆參數。

（4）8105工作面采取深孔內充水承壓微爆技術措施后，工作面煤壁片幫得到了極大改善，最大片幫深度和片幫影響寬度顯著減小。

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（責任編輯 張毅玲）

Instability mechanism and control research of rib fall in fully mechanized caving face with large height in seam with vertical fracture development

Jia Yongsheng1，Yang Jingxuan2，Liu Jinrong1
（1.Datong Coal Mine Group Co.，Ltd.，Datong，Shanxi 037003，China；2.School of Mines，China University of Mining&Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Aiming at the typical characteristics of rib fall in fully mechanized caving face with large mining height in seam with vertical fracture development in Tashan Coal Mine of Datong mining area，based on the theoretical analysis of compression bar and test research，the instability mechanism of rib fall in seam with vertical fracture development was discussed.Through theoretical analysis，the critical stable relation and corresponding critical force of the rib fall were achieved.By increasing the friction coefficient of coal and lowering the gravity center of coal strip，the stability of coal wall could be improved. Combined with the fully mechanized caving conditions of the 8105 working face in Tashan Coal Mine，it achieved good prevention and control effects on the rib fall by adopting the confined micro-blasting technology with confined water filling the borehole.

fully mechanized caving mining with large height，rib fall，fracture development，critical force，confined blasting

TD323

A

?三晉學者支持計劃專項經費資助項目（2050205）

賈永生（1971-），男，山西大同人，高級工程師，現為大同煤礦集團安全管理監察局副處長，從事煤礦安全管理工作。