6.5m厚煤层一次采全高工作面煤壁稳定的研究

崔树江

(1．中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083；2.山西潞安环保能源开发股份有限公司王庄煤矿，山西 长治 046031)

一次采全高技术近年来已经成为厚煤层高效开采的有效手段，实践表明，其煤炭采出率比综放开采提高了10%～15%，取得了广泛应用[1]。但由于采高加大导致了采场空间增大，引起矿压显现剧烈、煤壁片帮失稳等现象产生。煤壁失稳破坏严重时会造成设备损坏和人员伤亡[2]，严重制约一次采全高技术的发展。

本文以潞安集团王庄煤矿7105一次采全高工作面为实际工程背景，分析了煤壁片帮机理，对煤壁片帮影响因素进行了深入研究，提出了控制煤壁片帮的关键技术措施，解决了王庄煤矿厚煤层一次采全高开采的技术难题。

1 工作面煤壁片帮机理分析

煤体开挖后，在超前支承压力的作用下，煤壁处的煤体首先破坏，产生大量节理裂隙，迅速扩张至煤体内部，不同方位角度的裂隙贯通后煤壁遭到切割破碎形成了塑性区[3]。塑性区是煤壁片帮产生的直接诱因，研究煤壁前方塑性区的宽度和应力分布是研究煤壁片帮现象的首要任务。

工作面前方煤体受力状态如图1所示，因煤层厚度和采深比较相对很小，因此可以认为σx均匀分布，支承压力σz沿煤层厚度不变。σx，σz为作用在单元体上的压应力，设煤层与顶底板接触面之间的内聚力为c1，内摩擦系数为f1，因此，煤层与顶底板接触面的摩擦阻力为c1+f1σz，方向与煤层推进方向相反。

图1 采场前方极限平衡区受力状态

根据单元体的平衡条件∑Fx=0，可列出x方向的平衡方程，见式(1)。

(1)

整理后得式(2)。

(2)

由于煤壁水平方向一侧为采空区，水平应力得到释放，使σz远大于σx，并且σz与σ1，σx与σ3之间的夹角很小，故可认为σx为小主应力，σz为大主应力[4]。设煤体屈服时满足文献[5]推导出来的平面应变条件下适用于黏性材料的Lade-Duncan准则， 将其代入式(2)可得式(3)。

(3)

利用边界条件求积分常数D，当x=0时，σx=p，代入式(3)得到D的表达式，见式(4)。

D=ln(c1+f1ηp+f1ησ0-f1σ0)

(4)

将式(4)代入式(3)得到式(5)。

(5)

式中：p为支架护帮板对煤壁的支护阻力。

设煤体在弹塑性分界处最大支承压力，见式(6)。

σz=k1γH

(6)

式中：k1为应力集中系数，一般取2～4。

将式(6)代入式(5)，可求出煤壁的塑性区宽度x，见式(7)。

(7)

由此可知，式(7)即为基于平面应变条件下的Lade-Duncan准则的煤壁塑性区宽度计算公式。

由式(7)可知，支架强度、护帮板阻力、煤体强度、采煤高度和煤层埋深是影响塑性区宽度的几个重要因素，其中提高支架支护强度、加大护帮板支护阻力、改变煤体性质是减小煤壁塑性区宽度，防治煤壁片帮的有效途径。

2 液压支架强度对煤壁稳定性影响

根据王庄煤矿7105工作面具体情况，运用FLAC3D数值模拟软件对一次采全高工作面煤壁稳定性进行模拟分析。图2为支护强度与顶板最大下沉位移关系图。图3为不同支护强度条件下的煤壁的最大水平位移图。

图2 支护强度与顶板最大下沉位移关系图

图3 支护强度与煤壁最大水平位移拟合关系曲线

数值模拟结果表明，随着支架支护强度的增大，顶板下沉量和煤壁最大水平位移逐渐减小，当支架支护强度大于1.2MPa时，变形曲线逐渐趋于平缓，这说明增大支架支护强度有利于控制顶板下沉和煤壁水平位移量，其中支护强度的增大对煤壁水平位移量的影响远不如对顶板下沉量的影响显著。同时，当支护强度增大到一定值时，对顶板和煤壁位移的控制效果逐渐减弱。上述研究成果表明，适当增加支架支护强度有利于减小煤壁压力和防止煤壁片帮破坏。

3 护帮板支护阻力对煤壁稳定性影响

图4所示为不同护帮板支护阻力条件下，煤壁水平位移关系曲线。

图4 护帮板支护阻力与煤壁水平位移关系图

从图中可以看出，随着护帮板支护阻力的提高，煤壁水平位移量得到了有效的控制，这是因为加大护帮板对煤壁的支护强度，使工作面煤壁得到有效保护，这样可以使煤壁增加一个侧向力，使煤壁处于三向应力状态，从而提高了煤壁的抗压强度[6]。提高煤壁支护阻力的另一个作用是减少了煤壁塑性区的宽度，从而减小了煤壁发生片帮的可能性。

4 注浆加固对煤壁稳定性影响

一次采全高工作面煤体在高集中应力的作用下，发生塑性变形，由于煤体内部节理裂隙的发育，导致其承载能力下降，煤壁稳定性降低。由此，可以通过改变工作面煤体力学性质的途径，来防止煤壁片帮失稳。图5和图6所示为有注浆加固和无注浆加固两种条件下煤壁垂直应力分布特征曲线和水平位移分布特征曲线。

图5 两种方式下煤壁垂直应力对比曲线

图6 两种方式下煤壁水平位移对比曲线

从图5、图6中可以看出，采取注浆加固后，煤壁边缘处的垂直应力值得到了大幅度的提高，并且高应力作用范围大幅度减小，这是因为采取注浆加固措施，使得煤壁煤体刚度得到了很大程度的提高，从而提高了煤壁的承压能力，减小煤壁塑性破坏范围。同时，采取煤壁注浆加固措施能够有效地降低煤壁水平位移变形量，对于提高采场工作面围岩稳定性具有重要意义。

图7所示为两种条件下煤壁前方煤体塑性破坏范围分布情况，无注浆加固条件下，煤壁前方最大塑性破坏深度达8m左右，破坏面积达到46m2，煤壁中部前方2m范围左右煤体同时承受拉伸和剪切双重破坏，片帮情况严重。注浆加固条件下，煤壁煤体塑性破坏范围大大减少，最大破坏深度仅在2m左右，破坏面积也减少到16m2，煤壁中部前方仅1m范围内承受拉伸和剪切双重破坏作用，且作用范围较小，表明煤壁片帮发生区域面积大大减小，片帮概率降低。

图7 两种条件下煤壁塑性破坏区分布图

5 工程实践及应用效果

5.1 工程应用

根据王庄煤矿7105一次采全高工作面实际情况，提出以下防止煤壁片帮，控制煤壁稳定的技术措施。

5.1.1 提高支架初撑力和支护阻力。

根据数值模拟研究结果，王庄煤矿7105工作面液压支架合理的支护强度确定为1.2MPa，并考虑10%的富裕系数，支护强度要求达到1.32MPa。

根据配套尺寸、支架顶梁长度、空顶距算出支架工作阻力，见式(8)。

P=q·(LK+LD)·B

(8)

式中：P为支架工作阻力，kN；q为支架的支护强度，取1.32MPa；LK为梁端距，取0.65m；LD为顶梁长度，取4.6m；B为支架宽度，取1.75m。

将上述参数带入式(8)得到P值，见式(9)。

P=1.32×1000×(0.65+4.6)×1.75

=12128kN

(9)

根据公式(9)计算结果，考虑一定的富裕系数，支架工作阻力确定为13000kN，安全阀开启压力46.9MPa。

为了有效的控制煤壁片帮和端面冒顶，要求提高支架的初撑力，在支架缸径确定的情况下，需要提高乳化液泵站的额定工作阻力。根据国内外大采高综采工作面乳化泵站的选型情况，泵站压力可调高至37.5MPa，支架初撑力可达到10393kN，占额定工作阻力的80%。

5.1.2 工作面支架采用三级护帮结构设计

为了对工作面采场围岩进行有效地控制，在工作面液压支架前端设置了三级护帮结构，三级护帮结构由一级、二级和三级护帮板及液压油缸等组成，护帮板相互铰接并铰接在支架顶梁前端，由液压油缸给予支承或承压，其中一级、三级护帮板采用小四连杆机构，第三级可以180°回转折叠，护帮高度要求达到3.5m左右，护帮强度达到p≥0.85MPa[7]。

5.1.3 加快工作面推进速度，必要时采用台阶割煤

由于煤壁片帮具有时效性，应当尽量加快工作面推进速度，减少各种不正常事故造成的工作面停产，工作面停产应当尽量选择在煤层较薄、顶板条件良好的地段进行。当工作面煤壁片帮失稳现象严重时，可以采用台阶法割煤，主要是前后滚筒先割顶煤，形成上台阶，高度约2.5m，然后预留底煤形成下台阶，及时跟机移架护顶，不推溜，返回时割底煤，推移刮板输送机，回采工艺相当于单向割煤。

5.1.4 采用煤壁超前注浆加固技术

由于3号煤层煤质松软，在6.5m 一次采全高开采条件下，工作面煤壁片帮的可能性将大大增加，所以决定对7105大采高综采工作面采用高水塑凝材料进行注浆加固。根据现场实测的各种参数，由式(7)计算可得，7105一次采全高工作面煤壁塑性区宽度为5.03m，因此可确定煤壁超前注浆范围为5m左右，注浆孔距顶板3.5m处，工作面采用单排钻孔方式布置。注浆参数和注浆孔布置如表1和图8所示。

表1 注浆参数表

图8 煤壁注浆孔布置

5.2 应用效果

为检验王庄煤矿7105一次采全高工作面煤壁片帮控制技术的效果，在采场工作面布置了5个测站(5号、31号、66号、95号、121号支架)，用来检测煤壁片帮深度变化情况。检测结果如图9所示。

图9 控制前后片帮深度监测对比曲线

可以看出，采取控制措施后煤壁片帮深度得到了有效控制，最大片帮深度从1.6m降低到0.6m，平均片帮深度由0.9m减少为0.3m，片帮范围由90%缩小到35%。由此表明，王庄煤矿7105一次采全高工作面煤壁稳定性控制技术措施取得了较好的效果。

6 结论

1)运用极限平衡理论，结合平面应变条件下的Lade-Duncan强度准则，研究了煤壁塑性区宽度及其应力分布情况，并由此确定了支架强度、护帮板阻力、煤体强度、采煤高度和煤层埋深是影响煤壁片帮的几个重要因素。

2)数值模拟结果表明，适当增加支架支护强度、提高护帮板支护阻力、通过注浆加固改变煤体性质等措施有利于减小煤壁压力、防止煤壁片帮破坏、提高煤壁稳定性。

3)针对王庄煤矿7105一次采全高工作面实际情况，提出了控制煤壁片帮失稳的具体防治方案及合理参数，并通过现场监测试验，取得了较好的反馈效果，为王庄煤矿厚煤层开采提供了有效的技术保障。

[1] 袁永，屠世浩，马小涛，等.“三软”大采高综采面煤壁稳定性及其控制研究[J].采矿与安全工程学报，2012(1)：21-25.

[2] 杨培举，刘长友，吴锋锋.厚煤层大采高采场煤壁的破坏规律与失稳机理[J].中国矿业大学学报，2012(3)：371-377.

[3] 袁前进.综放面煤壁片帮的理论分析和防治[J].煤炭科技，2009 (2)：44-47.

[4] 高玮.倾斜煤柱稳定性的弹塑性分析[J].力学与实践，2001，23(2)：23-26.

[5] 江强，朱建明，姚仰平.Lade-Duncan破坏准则在地基承载力计算中的应用[J].岩石力学与工程学报，2005(18)：3262-3265.

[6] 尹志坡.大采高综采工作面煤壁片帮的分析与预防[J].华北科技学院学报，2008(3)：51-53.

[7] 牛艳奇，陈树义，刘俊峰.大采高综采工作面片帮加剧机理分析及防治措施[J].煤炭科学技术，2010(7)：38-40，64.