大采高综采工作面煤壁稳定性及控制研究

王 彦

（西山煤电马兰矿，山西 古交 030200）

在我国，厚煤层资源储量较大，开采厚煤层的主要方法有大采高综采、放顶煤以及分层开采三种，相比于放顶煤开采和分层开采，大采高综采技术煤炭采出率高、生产能力大、开采工序简单，是厚煤层开采的发展趋势。但是，由于工作面采高的增加，煤壁片帮现象更加严重，最严重的可达1m甚至几米，对工作面的安全生产造成严重的威胁。对于煤壁片帮现象，目前主要的处理方法有提高支架初撑力、快速移架、选用合适的护帮装置等[1]。本文以马兰矿18506工作面实际生产条件为工程背景，利用理论分析的方法，对工作面煤壁的稳定性进行研究，并提出合理的控制方案，为工作面安全生产奠定基础。

1 工作面概况

马兰矿18506工作面位于南五采区，主采8号煤层，工作面埋深为550m，倾斜长度为220m，走向长度为1025m，煤层倾角为5°，平均厚度为6.05m，煤层结构简单，厚度稳定，属于近水平厚煤层。在工作面回采过程中，时常发生煤壁片帮现象，给工作面的安全生产带来极大的安全隐患，严重威胁工人的生命安全。

2 煤壁稳定性分析

2.1 煤壁片帮力学分析

在工作面回采前，煤层受三向应力作用，顶部受到上覆岩层作用，其垂直应力大小为γH，对应的水平应力为：μγH/（1-μ），其中：γ-上覆岩层平均容重；H-煤层埋深；μ-泊松比。煤层回采之后，煤体所受应力变为二向或者单向应力状态，其稳定性大幅降低。在煤层回采过程中，工作面基本顶周期性断裂，形成工作面来压，来压期间，顶板所受载荷大部分由煤壁支撑，且由于煤壁本身存在大量层理裂隙，强度较低，容易发生滑落式、劈裂式、横拱式或压剪式的片帮现象。

受工作面采动影响，煤壁前方出现超前支承压力，形成塑性破坏区，使煤壁稳定性下降。煤壁前方塑性破坏区的深度可由下式表示：

式中：

x-塑性区宽度，m；

M-采高，取6.05m；

K-支承压力集中系数，取K=3；

H-煤层埋深，取550m；

Cm-煤层的内聚力，取2.2MPa；

φm-煤层内摩擦角，取26°；

γs-岩层平均容重，取0.025MN/m3；

f-煤层与顶底板的摩擦系数，可取f=0.3；

P-工作面煤壁的支护强度，MPa；

ζ-三轴应力系数，有

若不考虑煤壁的护帮力，取煤壁的支护强度P为0MPa时，塑性区宽度为5.42m。结合现场生产实践，工作面煤壁片帮现象严重，可选用支架合理的护帮装置来保证煤壁的稳定性。

2.2 煤壁片帮高度预测

根据压杆理论，对煤壁受力情况进行简化，建立力学模型，如图1所示[2]。

图1 煤壁受力模型

如图1所示，若不考虑垂直方向煤壁的重量和压缩变形量，忽略煤壁的剪切变形，不考虑水平方向对煤壁的作用力。则根据相关资料可知，煤壁破坏最大挠度位于距离顶板0.35h处。根据实际生产条件，工作面采高为6.05m，则煤壁最大破坏位置应位于距离底板3.93m处。因此，护帮板高度不得低于2.12m。

2.3 煤壁片帮深度预测

为了求出煤壁的片帮深度，可以通过以下两种方法进行计算分析。

（1）根据塑性区范围

通过前面的计算可知，18506工作面的煤壁塑性破坏区宽度为5.42m，利用塑性区宽度，可对煤壁片帮深度进行预测，其表达式为：

式中：

B-煤壁片帮深度，m；

N-相关系数，取0.3；

x-塑性区宽度，取5.42m。

将数据代入，可得煤壁片帮深度为B=1.63m。

（2）根据工作面采高

一般来讲，工作面的采高越大，煤壁片帮深度越大，其表达式为：

式中，各符号含义与前面相同。

将数据代入，可得煤壁的片帮深度为B=3.78m。但是，上述公式只考虑了采高和内摩擦角对煤壁片帮的影响，所得结果与实际相比偏大，为使计算结果更加准确，可加入修正系数，则煤壁片帮深度可表示为：

式中：

Bx-修正后的煤壁片帮深度，m；

n-修正系数，可取0.5。

将数据代入，可得煤壁片帮深度为1.89m。

综合以上两种计算方法的结果可知，两种方法所得结果十分接近，为安全起见，可取较大值，因此煤壁的片帮深度约为1.89m。

3 煤壁片帮控制措施

根据该矿实际条件，为提高煤壁稳定性，保障工作面的生产安全，提出以下控制措施：

（1）提高支架工作阻力。根据工作面煤壁受力情况，建立力学模型，如图2所示[3]。

图2 工作面受力模型

由上图可知，工作面顶板压力由两部分组成，分别为直接顶自重Q1以及老顶对直接顶所施加的载荷P1，顶板压力由支架和煤壁共同承受，其计算表达式为：

式中：

P-液压支架工作阻力，kN；

Q-煤壁所受压力，kN。

由上图以及式（5）可以看出，当顶板所受载荷保持不变时，工作面压力由支架和煤壁共同承担，适当增加支架工作阻力，可减少煤壁所受压力，加强煤壁稳定性。

（2）加快推进速度。通过以往开采经验可知，当工作面推进速度较慢时，煤壁前方支承压力作用时间长，影响范围大，在一定程度上加剧了煤壁片帮发生的可能性。因此，在实际生产中，可适当加快工作面的推进速度，对减弱支承压力影响、增强煤壁稳定性有着重要作用。

（3）注浆加固煤壁。当工作面经过断层或其他地质构造时，围岩较为破碎，使煤壁片帮的可能性大幅增加。此时，为了提高煤壁稳定性，避免发生煤壁片帮的现象，可利用注浆的方法加固煤壁，增加煤壁强度；同时，也可以适当降低采高，加快推进速度，快速通过断层影响区域，保障工作面安全生产。

（4）选择合理的护帮力。由前面的计算可知，护帮板高度应大于2.12m，为确定护帮力大小，根据煤壁受力情况，建立力学模型，如图3所示[4]。

图3 煤壁片帮简化模型

由图可以看出，将失稳煤壁简化为梯形，在与顶板距离为h处，沿斜切面下滑，斜面与水平夹角为α。

对图3所示力学模型进行求解。首先，可求得滑落煤块自重为：

式中：

L-梯形宽度，m；

其余符号含义与前面相同。

为简化运算，将均布载荷q视为力F，建立力学平衡方程，在水平方向有：

在垂直方向有：

式中：

有f1=μ1q1M；f2=μ2F；f3=μ3KγsH/2；

K-应力集中系数，可取3；

q1-护帮力，MPa；

μ1、μ2、μ3-分别为护帮板与围岩、煤与侧煤、煤与顶煤的摩擦因子，可分别取0.5、0.3和0.2；

其余符号含义与前面相同。

将以上三式联立，可得支架的护帮力应为：

将数据代入，可得支架的护帮力应为0.185MPa。

4 结论

根据马兰矿18506大采高综采工作面实际地质条件，对工作面煤壁的稳定性进行分析，得到以下结论：

（1）通过理论计算，可得18506工作面煤壁塑形破坏区深度为5.42m，煤壁稳定性较差，片帮现象严重；

（2）根据煤壁受力情况，建立力学模型，确定煤壁最大破坏位置应位于距离底板3.93m处，煤壁的片帮深度为1.89m；

（3）结合工作面实际条件，提出煤壁片帮的控制措施，应适当增加支架工作阻力、加快工作面推进速度、对围岩破碎段进行注浆加固、确定合理的护帮力为0.185MPa，为工作面的安全生产奠定基础。