厚煤层一次采全高煤壁失稳原因及控制技术

陈 宁

（晋煤集团成庄矿生产部，山西 晋城 048006）

1 概述

随着我国中东部煤炭资源的逐步枯竭，煤炭开发向西部、矿井开采向深部已成大势所趋，据统计我国西北地区不仅储量约占现有全国煤炭可采总量的60%以上，且煤炭资源又多以厚煤层为主，约占44%。而现行厚煤层的主要开采方法为：分层综合机械化开采、综合机械化放顶煤开采以及厚煤层一次采全高开采。尽管分层开采、综放开采技术是现行主流的开采方式，但是分层开采搬家倒面次数多、接续紧张，综放开采回收率低、混矸程度高、易发生自燃等缺陷仍非常明显［1］，因此对于厚煤层开采而言，一次采全厚的开采方式将因其回收率高、含矸率低、推进速度快以及适应强等优点逐渐成为主流开采工艺。

随着厚煤层一次采全高综采工艺的推广应用，由于采高较高导致煤壁稳定性极差且存在严重的片帮问题，这些问题使其推广应用被大大制约。为此，我国科技工作者开展了大量的研究工作，取得了丰硕成果。在围岩控制方面：赵宏珠等［2］在调研大量工程实践的基础上，对大采高工作面应力分布特征及支架的阻力进行了分析研究，提出适合大采高的支架选型方法；弓培林、靳钟铭等［3-4］人基于关键层理论，计算了大采高采场的两带高度，提出随采高增加，两带高度呈台阶状上升，每一个台阶代表一个其控制作用的关键层。在煤壁片帮方面：郝海金［5］运用数理统计的思想分析研究了大采高工作面片帮发生的机理；闫少宏［6］运用力学解析对大采高煤壁片帮机理进行了揭示；胡国伟通过数值模拟分析研究了大采高工作面的应力分布规律及塑性区扩展情况。

成庄煤矿四盘区采用了一次采全高的生产工艺，在生产过程中出现了较为严重的片帮问题，严重制约了安全高效生产。本文以此对厚煤层一次采全高煤壁失稳机理进行分析，并提出合理防控技术，以期保证矿井正常生产工作。

2 工程地质概况

成庄煤矿四盘区煤层厚度在4.69～5.27 m之间，平均厚度4.92 m。煤层埋深620～950 m，东南向西北倾斜。煤层含夹矸0～4层，一般为1层，厚0.20 m左右，结构较为简单。顶板以中砂岩为主。底板以泥岩、砂质泥岩为主。共揭露主要断层16条。结合四盘区煤层赋存特点，采用综合机械化一次采全高采煤工艺。

3 煤壁片帮特征及失稳机理分析

3.1 煤壁片帮特征分析

在工作面开采过程中，对四盘区煤壁进行了为期30天的片帮观测及统计。根据所观测情况，煤壁发生片帮的形式主要包括：顶部片帮、腰部片帮、顶底部片帮、底部片帮以及煤壁斜切片帮等，见图1。

图1 一次采全高煤壁片帮形式

在观测期间，煤壁片帮共计40 次，其中，顶部、腰部片帮居多，共占75%；深度多集中于0.8～2.3 m，占59.5%高度多集中在 1.9～2.5 m，占50.5%。由上可知，回采期间煤壁的片帮问题较严重，严重制约了安全高效生产。

3.2 煤壁失稳机理分析

综合四盘区地质采矿条件及煤壁片帮特征及失稳机理分析可知，大采高煤壁的失稳主要是受大埋深、硬顶板及煤体裂隙发育所影响，因此，对于煤壁的失稳机理分为应力控制型及结构控制型分述如下：

（1）应力控制型

工作面开采后，初始地应力被破坏，在煤壁前方出现超前支承压力，且由于埋深较大，应力集中现象显著，当煤体极限强度小于支承压力时，煤壁处的煤体率先发生破坏，后逐步向深部发展。受支承压力挤压作用，煤壁上形成横向的拉应力，使煤体发生拉破坏，产生大量横向裂隙并向深部不断扩张，当裂隙扩展到煤体边界，煤壁处煤体发生剥离，由于裂隙扩展方向存在不确定性，也就出现了前面描述的几种片帮形式。

（2）结构控制型

受构造影响煤岩体中存在着大量结构面，使煤体被切割而处在一种断续连接状态。随着工作面开采，煤体受工程扰动影响，某些块体间充填物质胶结能力急剧下降，造成块体沿结构面发生滑移，继而导致煤体发生大面积破坏，煤壁出现了失稳。

4 大采高煤壁稳定性控制技术研究

根据四盘区大采高煤壁失稳机理分析可知，煤壁的失稳主要是受应力与构造共同影响，据此，针对不同情况采取针对性防控措施，以期到达煤壁状态稳定，实现高效安全生产。

4.1 顶板超前预爆破技术

四盘区埋深较大、顶板坚硬，在开采过程中易形成超前支承压力集中及大面积悬顶现象，因此，采用超前预爆破方法处理坚硬顶板能够有效防控应力控制煤壁失稳。采用工作面双侧布孔方案，在轨道巷和皮带巷分别布置一组孔（每组3个孔），分别为基本顶切断孔、端头切断孔、基本顶辅助孔，具体布置方案见图2。同时，在工作面前方100 m开掘与巷道平行的钻孔巷道，并进行切断孔作业。

图2 切断钻孔布置

4.2 煤壁超前预加固技术

针对煤壁受构造影响造成的破碎问题，采用超前预加固，对破碎煤体进行注浆胶结，保证煤壁成为一个强度较高的稳定结构体。其加固孔布置主要沿走向及倾向进行布置。

（1）走向加固孔

在煤壁处布置注浆孔采用双排错位形式，孔深10 m，孔径不小于Φ42 mm，间距不小于3.5 m（具体布置需按实际进行适当调整），具体布置方案见图3（a）。

（2）倾向加固孔

在皮带及轨道巷内沿倾向布置平行孔，对超前煤壁5～10 m区域注浆进行煤壁加固。钻孔距顶板距离为1.5～2 m，间距不大于4 m，封孔长度不小于8 m，孔径Φ不小于75 mm，具体布置方案见图3（b）。

图3 注浆钻孔布置方案

5 应用效果

根据现场地质采矿条件，沿支架依次在煤壁每5架布设一个观测点，共记布设23个位移观测点，观测周期为14日历日，以检验顶板超前预爆破技术与煤壁超前预加固技术实施后对四盘区大采高煤壁片帮的控制效果。

根据不同日期测得数据,对煤壁片帮的深度和高度进行了分析。发现在实施控制手段后，煤壁片帮情况较未实施有较大改善，日平均深度为106 mm，日平均高度为90 mm，其中，实施后的8、11、14日煤壁水平移进量较大，分别为170 mm、190 mm及205 mm；11、14日垂直位移量较大，分别为110 mm及155 mm。

在观测期间，出现周期来压的时间分别为1、5、8、11、14日，平均来压步距为19 m，因此与观测数据相对应，发现实施控制措施后，仅在来压期间煤壁出现了较大的水平及垂直位移变形，但远小于未实施前。由此可知实施顶板超前预爆破技术与煤壁超前预加固技术措施能够有效解决厚煤层一次采全高煤壁失稳片帮问题，不但能够较大程度地提高生产效率，而且经济效益得到显著增加。

6 结语

1）通过观测分析，发现成庄煤矿四盘区厚煤层一次采全高煤壁失稳的主要形式为顶部、腰部、顶底部、底部以及斜切片帮；进一步分析得到煤壁失稳发生机理主要受大埋深、硬顶板及煤体裂隙发育所影响，煤壁的失稳机理被划分为应力及结构两种控制类型。

2）根据对煤壁的失稳机理分析发现煤壁的失稳受应力与构造共同作用，因此提出综合运用对顶板超前预爆破与煤壁超前预加固技术来实现对大采高煤壁稳定性进行控制，取得了较好片帮控制效果，经济效益也较显著。