大采高仰采工作面煤壁片幫機理及控制技術

劉海龍

(山西汾西礦業集團柳灣煤礦，山西 孝義 032300)

引 言

近年來，隨著綜采裝備技術的不斷發展進步，大采高綜采工藝在我國各大礦區得到廣泛應用。然而，大采高工作面機采高度的增大必然造成工作面煤壁臨空面積增大，尤其是對于仰采工作面，在礦山壓力作用下煤壁片幫機率加大，進而可能引發采場端面大面積冒頂，嚴重威脅礦井安全生產，故大采高仰采工作面煤壁片幫控制是亟待解決的關鍵技術難題之一。國內外學者已對工作面煤壁片幫機理及防治技術做了大量的研究工作，而針對大采高仰采工作面煤壁片幫的研究還相對較少。本文就針對某礦2612大采高仰采工作面的煤壁片幫機理進行研究，并制定針對性的技術控制措施及管理方案。

1 大采高仰采煤壁片幫影響因素分析

宋振騏院士重點研究了不同開采及地質參數對采場的影響規律，定性地揭示了采高、采深和煤體強度對煤壁片幫的作用關系[1]；謝廣祥教授基于典型開采地質條件，利用多種先進的研究手段，從采場圍巖控制、瓦斯治理、開采參數優化等方面進行研究，揭示出各因素與片幫的內在關系，提出了有效控制措施[2]；王家臣教授深入剖析了極軟厚煤層片幫特征，并提出了不同的判別標準，著重探討了不同主控因素影響下的片幫控制技術[3]；方新秋教授對軟煤綜放開采的冒頂片幫進行長期觀測，統一綜放頂煤、高位承載結構等因素創建模型，對煤壁片幫的過程進行詳細闡述，創新性的提出煤壁最小臨界穩定高度的概念，用以指導片幫控制參數的制定[4]。煤科總院尹希文等利用壓桿理論研究煤壁片幫誘發過程，發現煤壁中上部是較容易發生片幫的位置，半煤壁片幫和整個煤壁片幫是大采高綜采面的兩種主要片幫形式。對于煤壁片幫的控制措施，本文則著重強調及時移架并重視護幫板的作用，合理提高支架的初撐力和工作阻力[5]。

現場礦壓觀測發現，煤壁片幫發生多為局部片幫，工作面大范圍片幫情況比較少見。其局部片幫原因主要有兩個方面，頂板壓力作用和煤壁煤體自重。其破壞形式包括拉破壞及剪破壞兩種主要形式。工作面仰采時，工作面端面煤巖體在自重和仰角的影響下，會有一個指向采空區的分力，這個分力的作用會加劇端面煤巖體的裂隙發育和碎裂，對端面平衡結構的形成不利，同時，破碎后的直接頂塊體向采空區移動，支架頂部的頂板完整性受到破壞，不利于支架的接頂和支撐效能的發揮，進而影響到對頂板及煤壁的支護，使煤壁上方的煤體受拉或受剪而從前方煤體中脫落，發展為煤壁片幫[6]。煤壁片幫影響因素包括夾矸影響、采高影響、頂板來壓影響、支架支護效果和狀態影響等。

2 基于數值模擬的片幫機理研究

本次數值模擬使用UDEC離散元數值模擬軟件，根據2612大采高仰采工作面的具體地質參數及圍巖條件參數建立數值模型。本礦井煤層為傾斜煤層，在對現場實際地質生產狀況進行簡化和抽象的基礎上，設計數值模擬模型為水平模型，盡量規避無關因素的影響，本文的模擬計算中，煤巖體和節理的物理、幾何參數是在現場的原巖參數的基礎上確定的，設計的模型架構及邊界條件，如圖1所示。

圖1 數值模型建立及邊界條件示意圖

分別設計對應采高為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m的5個模型，其他條件一致。布置位移測線模擬并記錄煤壁片幫深度，作煤壁片幫深度與采高的關系曲線，如圖2所示。得出工作面煤壁片幫深度與采高增加呈正相關性，且采高超過4 m之后，片幫深度增加的速率提高，這也證明了常規情況下大采高綜采的最大采高不超過4 m的原因，如果采高超過4 m，煤壁片幫的概率會加速增大，需要采取針對性的控制措施。

圖2 煤壁片幫深度與采高關系曲線

同理，設計數值模擬方案分別模擬分析液壓支架的工作阻力及水平支護阻力、工作面賦存深度、煤體內摩擦角等參數對煤壁片幫的影響情況。得出隨著液壓支架工作阻力及指向煤壁水平力的增大，煤壁片幫程度減小，但當支護力增大到一定程度后，煤壁片幫程度基本不再變化，說明加強支護力及指向煤壁的支護有利于煤壁控制，但支架工作阻力不是越大越好，而是需要有一個合理值，這樣既能保證有效支護，又能減少裝備投入及成本浪費；此外煤層賦存深度的增大，造成工作面礦山壓力顯現的加劇，同樣不利于煤壁片幫的控制；而對煤體內摩擦角的模擬研究，隨著內摩擦角增大，煤壁片幫深度及程度減小，說明可通過注漿等方式改善煤體特征，進行煤壁片幫的控制。

3 端面煤巖體綜合控制方案

對于大采高仰采工作面的端面煤巖體控制，按照前文對片幫影響因素及片幫機理的模擬分析，應著重做好以下端面煤巖體控制工作。確保液壓支架的支護強度，重視支架前探梁及護幫板的水平支護力作用，防止支架接頂不實；確保液壓支架的支護狀態，保障支架的合理端面距不得超過0.3 m，同時對于頂梁臺階、支架錯距、擠架咬架、頂梁俯仰角等參數進行合理控制；確保支架故障的及時排除，液壓支架故障不可避免，應該加強日常的故障排查及檢修，及時加以排除。

對于端面煤巖體破碎、遭受片幫冒頂較大威脅、過斷層過老巷等局部區域，除了按照以上措施加強現場管理外，針對性的設計了煤壁注漿加固、端面長錨索加固等綜合控制方案，如圖3所示。對于端面頂板破碎易冒處打設長錨索，錨索規格Φ17.8mm，長度不低于5 000 mm，確保打入基本頂內，使用2支CK2530樹脂錨固劑，確保懸吊及錨固效果。對于松散破碎的煤壁，尤其是處于來壓前夕時，采取煤壁注漿加固措施，注漿孔設計長度4 500 mm，與水平方向呈30°斜向上打設，孔距3 000 mm，每推進5 m為一個注漿循環，一般情況下注漿一個循環即可，煤壁大范圍破碎或來壓期間可依據現場情況進行多循環注漿。

圖3 端面煤巖體綜合控制方案示意圖

4 結語

2612大采高仰采工作面在整個回采期間高度重視端面煤巖體控制及支架圍巖工況的維護，在日常管理中強調支護強度的達標、支架幾何位態的管理及液壓支架的日常維護，對于局部區域及時采取打錨索、煤壁注漿等綜合控制方案，在后續的推采過程中未發生嚴重片幫冒頂事故，保障了工作面的安全順利生產。