西溝煤業(yè)3519工作面煤壁穩(wěn)定性分析及控制技術(shù)

郭江峰

(山西陽城陽泰集團(tuán) 西溝煤業(yè)有限公司， 山西 陽城 048100)

隨著我國煤炭開采深度的逐年增大，采動(dòng)影響下的礦壓顯現(xiàn)更為劇烈與明顯，回采工作面極易發(fā)生煤壁片幫，引發(fā)端面冒頂垮落，威脅工作面設(shè)備和人員安全。因此，控制煤壁片幫，保證煤壁的穩(wěn)定性成為關(guān)注的技術(shù)問題。針對(duì)煤壁穩(wěn)定性，眾多學(xué)者展開了研究，如牛艷奇等[1]通過建立大采高工作面煤壁力學(xué)模型，分析得出影響工作面煤壁片幫穩(wěn)定性的因素主要有采高、內(nèi)摩擦角等；郝海金等[2]通過數(shù)值模擬軟件分析了煤壁穩(wěn)定性與采高之間的關(guān)系，得出隨著采高的增大，工作面煤壁及支架上方的巖體受到的水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力和剪應(yīng)力也表現(xiàn)為一定程度的增大。煤壁的穩(wěn)定性不僅受煤層賦存條件的影響，也受采煤工藝及參數(shù)的影響。本文在現(xiàn)有煤壁穩(wěn)定性理論研究的基礎(chǔ)上，以西溝煤業(yè)有限公司3519工作面為研究背景，采用數(shù)值模擬軟件分析工作面回采速度、液壓支架工作阻力與煤壁穩(wěn)定性之間的關(guān)系，并提出針對(duì)性的措施，以保障工作面煤壁的穩(wěn)定性。

1 工程概況

山西陽泰集團(tuán)西溝煤業(yè)3519工作面位于3500采區(qū)，工作面東側(cè)為順槽保安煤柱，南側(cè)為3500采區(qū)運(yùn)輸大巷，西側(cè)為工作面實(shí)體煤柱，北側(cè)為保安煤柱。工作面區(qū)域煤層均厚為2.95 m，煤層中含矸1～4層，矸石成分主要為炭質(zhì)泥巖，矸石厚0.02～0.42 m，煤層內(nèi)節(jié)理裂隙較為發(fā)育，煤層上方直接頂為泥巖和粉砂巖，均厚為7.32 m，基本頂為中粒和細(xì)粒砂巖，均厚為10.6 m，煤層底板為粉砂質(zhì)泥巖。工作面采用綜采采煤工藝，采高為2.95 m，由于煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，在回采過程中常出現(xiàn)煤壁大范圍片幫的現(xiàn)象，故急需采取有效手段控制煤壁的穩(wěn)定性。

2 煤壁穩(wěn)定性分析

2.1 煤壁片幫形態(tài)分析

根據(jù)3519工作面回采過程中煤壁片幫情況的現(xiàn)場觀測，得出煤壁主要發(fā)生4種形態(tài)的片幫，煤壁片幫形態(tài)示意圖見圖1.

圖1 3519工作面煤壁片幫形態(tài)示意圖

圖1a)表示在工作面推進(jìn)通過底板較為完整、煤體節(jié)理裂隙相對(duì)不發(fā)育的區(qū)域時(shí)，在工作面超前支承壓力的作用下，工作面煤壁在頂板與肩角的位置處出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。此時(shí)，在煤壁處易出現(xiàn)小塊度和小范圍的剪切滑移破壞現(xiàn)象。

圖1b)表示工作面推進(jìn)通過煤層夾矸層較厚，并且夾矸層遇水后容易出現(xiàn)片落，當(dāng)煤層內(nèi)夾矸層的裂隙與煤層頂?shù)装鍘r層貫通后，在煤壁處會(huì)出現(xiàn)連片凹向煤體內(nèi)部的現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場觀測可知，該種煤壁片幫的最大深度為1 m.

圖1c)表示工作面推進(jìn)通過煤體間接觸較差、煤層頂板較為完整、底板較為破碎的區(qū)域，此時(shí)煤壁底部肩角的區(qū)域，在頂板應(yīng)力和底板應(yīng)力的作用下，出現(xiàn)煤壁底部片幫的現(xiàn)象，片幫的深度在0.1～0.28 m.

圖1d)表示工作面推進(jìn)通過煤體節(jié)理裂隙較為發(fā)育、頂板巖層完整區(qū)域時(shí)，煤壁在走向應(yīng)力和傾向應(yīng)力的作用下，在兩端頭的區(qū)域出現(xiàn)頂板至底部整體片幫破壞。

2.2 煤壁穩(wěn)定性影響因素分析

根據(jù)3519工作面煤層的具體情況可知，煤層中部含有一層炭質(zhì)泥巖的夾矸層，且夾矸層區(qū)域節(jié)理裂隙較為發(fā)育，片幫現(xiàn)象較為嚴(yán)重。根據(jù)相關(guān)理論研究[3-4]，結(jié)合工作面煤體的具體賦存特征，確定影響3519工作面煤壁穩(wěn)定性的主要因素為工作面推進(jìn)速度、液壓支架的工況和礦山壓力的特征?，F(xiàn)針對(duì)每個(gè)因素進(jìn)行具體闡述分析：

1) 工作面推進(jìn)速度。3519工作面在回采過程中，推進(jìn)速度的最大值為30 m/d，推進(jìn)的平均速度為20 m/d. 為有效分析工作面不同推進(jìn)速度下，工作面前方煤體的穩(wěn)定性，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬分析工作面前方煤體在推進(jìn)速度分別為20 m/d和30 m/d時(shí)應(yīng)力分布和塑性區(qū)分布狀態(tài)，具體工作面推進(jìn)不同速度下前方煤體應(yīng)力及塑性區(qū)的發(fā)育狀態(tài)見圖2.

圖2 工作面不同推進(jìn)速度下前方煤體應(yīng)力及塑性區(qū)分布規(guī)律圖

通過分析圖2可知，當(dāng)工作面推進(jìn)速度為20 m/d時(shí)，工作面前方支承應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在煤壁前方12.4 m的位置處，峰值為10.07 MPa，峰值處的應(yīng)力集中系數(shù)為4.2，工作面前方塑性區(qū)的最大寬度為14 m；在工作面推進(jìn)速度為30 m/d時(shí)，工作面前方支承應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在煤壁前方14.15 m的位置處，峰值為11.10 MPa，峰值處的應(yīng)力集中系數(shù)為3.99，工作面前方塑性區(qū)的最大寬度為16 m. 基于上述分析可知，隨著工作面推進(jìn)速度的提高，其煤體前方的支承壓力集中系數(shù)降低，支承應(yīng)力的峰值逐漸遠(yuǎn)離工作面煤壁區(qū)域。

2) 礦山壓力。根據(jù)3519工作面推進(jìn)過程中的礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，工作面基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?0 m，基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄嘣?5～20 m，煤壁片幫的現(xiàn)象在工作面來壓期間較為劇烈，片幫的最大長度為2 m，最大高度為0.4 m，最大深度為0.1 m. 在工作面回采期間，超前支承壓力的應(yīng)力集中系數(shù)較大，使得煤體內(nèi)原有的節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)育，逐步出現(xiàn)裂隙貫通的現(xiàn)象。

3) 液壓支架工況。3519工作面采用ZY12000/20/40D支撐掩護(hù)式液壓支架，該支架的工作阻力為12 000 kN，額定初撐力為8 728 kN. 為有效分析支架初撐力、支護(hù)阻力對(duì)煤壁穩(wěn)定性的影響，設(shè)置4組不同的支架初撐力，分別為6 000 kN、7 000 kN、8 000 kN、9 000 kN，4組支架工作阻力分別為6 000 kN、9 000 kN、12 000 kN、1 5 000 kN. 采用UDEC數(shù)值模擬軟件，模擬分析不同支架初撐力、工作阻力下煤壁片幫量，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出煤壁片幫情況，見圖3.

圖3 不同支架初撐力和支護(hù)阻力下煤壁片幫情況圖

通過分析圖3可知，隨著支架初撐力的逐漸增大，工作面回采過程中，煤壁的片幫量逐漸降低。隨著支架工作阻力的增大，煤壁的片幫量同樣逐漸降低，在支架的初撐力由600 kN增大到8 000 kN時(shí)，煤壁片幫量的降低幅度較大，平均支架初撐力每增大1 000 kN，煤壁的片幫量減小15 mm；當(dāng)支架的初撐力增大到8 000 kN以上時(shí)，隨著支架初撐力的增大，煤壁片幫的降低幅度降低；支架的工作阻力由6 000 kN增大到12 000 kN時(shí)，液壓支架的工作阻力平均每增大3 000 kN，煤壁的片幫量平均降低20 mm；當(dāng)支架的工作阻力增大至12 000 kN以上時(shí)，隨著支架工作阻力的增大，其煤壁片幫的降低幅度逐漸減小。基于上述分析可知，現(xiàn)有支架滿足使用要求。另外能夠得出，在支架的額定工作阻力、額定初撐力的范圍內(nèi)，盡量增大支架的工作面阻力和初撐力，有利于防止煤壁片幫現(xiàn)象。

3 煤壁穩(wěn)定性控制技術(shù)

根據(jù)3519工作面煤壁片幫的特征和情況，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，確定提高工作面的推進(jìn)速度、提升支架的初撐力和工作阻力、減小工作面煤壁的受力能夠有效防止煤壁大范圍片幫現(xiàn)象的發(fā)生。因此，防止3519工作面煤壁片幫的具體措施為：優(yōu)化回采工序和改善支架工況，具體方案：

1) 提升回采速度。在3519工作面推進(jìn)通過煤壁易出現(xiàn)圖1a)和圖1b)型破壞區(qū)域，即工作面推進(jìn)通過底板較為完整、煤體節(jié)理裂隙相對(duì)不發(fā)育的區(qū)域和煤層夾矸層較厚、且夾矸層遇水后容易出現(xiàn)片落區(qū)域時(shí)，回采過程中盡量提高工作面的推進(jìn)速度，保持工作面的推進(jìn)速度為30 m/d，優(yōu)化工作面的回采工藝為小進(jìn)尺多循環(huán)，有效降低工作面頂板的懸頂面積，設(shè)置循環(huán)進(jìn)尺為0.6 m，以有效降低工作面回采過程中超前支承壓力對(duì)煤壁的破壞作用，同時(shí)能夠有效抑制上覆巖層應(yīng)力向煤壁的傳遞時(shí)間，減少煤壁損傷程度[5-6].

2) 保障支架結(jié)頂嚴(yán)實(shí)，充分利用護(hù)幫板。在工作面液壓支架移架期間，應(yīng)盡量加快移架的速度并保障支架在移動(dòng)完成后與直接頂巖層密實(shí)接觸，同時(shí)為對(duì)煤壁形成一定的支撐作用，在支架移架完成后，及時(shí)打開護(hù)幫板。

3) 改善支架工況。根據(jù)3519工作面回采期間的礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，支架的整體適應(yīng)性良好，但回采過程中液壓支架出現(xiàn)初撐力不達(dá)標(biāo)、支架的工作阻力存在較大富裕系數(shù)的情況，回采期間支架的性能并沒有得到有效的發(fā)揮，分析10#、11#、12#支架在未采取改善支架工況時(shí)工作面回采期間支架工作阻力，其曲線圖見圖4.

圖4 未改善支架工況時(shí)支架工作阻力曲線圖

通過分析圖4可知，為保障煤壁的穩(wěn)定性，在操作過程中，應(yīng)盡量提升支架的初撐力和工作阻力，尤其針對(duì)工作面推進(jìn)至煤壁煤體間接觸較差及煤體節(jié)理裂隙較為發(fā)育的區(qū)域。此時(shí)煤壁易出現(xiàn)圖1c)和圖1d)的破壞形態(tài)，工作面推進(jìn)通過該區(qū)域時(shí)，應(yīng)盡量保障支架的初撐力不低于24 MPa，回采過程中，應(yīng)保證支架的歪斜度不大于5°，支架頂梁最大仰角小于7°，支架間的間距不大于200 mm，支架液壓泵站提供的供液壓力不小于30 MPa. 支架的最大和最小控頂距見圖5.

圖5 液壓支架最大和最小控頂距結(jié)構(gòu)示意圖

4 效果分析

3519工作面采用優(yōu)化后的回采工藝并改善支架的工況后，根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果可知，工作面回采過程中，煤壁片幫的現(xiàn)象大幅減少，煤壁片幫發(fā)生頻率降低了60%，片幫僅在局部地質(zhì)異常區(qū)段出現(xiàn)，最大片幫長度為2 m，最大片幫深度僅為0.2 m. 由此可知，工作面采用的控制技術(shù)有效保障了3519工作面回采期間煤壁的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

根據(jù)3519工作面的煤層及頂?shù)装遒x存特征，通過分析工作面煤壁片幫的具體形態(tài)和特征，結(jié)合在不同推進(jìn)速度和不同支架工況下煤壁的片幫情況，確定控制工作面的煤壁片幫主要通過提升推進(jìn)速度、減小循環(huán)進(jìn)尺、改善支架工況的方式，優(yōu)化工藝后，根據(jù)現(xiàn)場觀測可知，煤壁片幫頻率大幅降低，片幫量大范圍減小，保障了煤壁的穩(wěn)定。