东周窑矿8103 综放面过断层片帮控制技术研究与应用

苏 鹏

（晋能控股集团同发东周窑煤业有限公司，山西 大同 037100）

0 引 言

经过多年的发展，综合机械化放顶煤开采已经成为我国厚煤层的主要开采方法，得到了大面积的推广应用，取得了显著的经济和社会效益。与一次采全高相比，综放开采工作面端面稳定性差、煤壁发生片冒的频率高，不仅影响工作面的正常生产，而且对工人的安全造成威胁。而工作面回采中遇到断层等地质构造时，煤壁稳定性进一步恶化，治理难度大幅增加[1-4]。因此，进行综放工作面过断层煤壁片帮稳定性研究，形成一套有效的控制技术，对实现综放工作面的正常、安全回采具有重要的意义。

1 工作面概况

1.1 地质条件

东周窑矿8103 工作面位于859 水平一盘区，工作面平均标高为+923 m，地面平均标高+1 431 m。工作面北部为采区3 条大巷，西部为8102 采空区，南部及东部为实体煤。所采煤层为山西组4 号煤，总厚度为7.2 m，煤层结构复杂，含有2～4 层夹矸石，最大为2.4 m，最小为0.4 m，平均0.6 m，岩性多为砂质泥岩、炭质泥岩、泥岩、煌斑岩。根据工作面周边地质钻孔BK46、J27、B1515、B1914 及掘进过程中揭露情况，煤层顶底板岩性如图1 所示。

图1 4 号煤顶底板岩性

工作面范围内两巷掘进过程中实际揭露17 条断层。根据以往4 号煤工作面的回采经验，3 m 以上的断层对生产的影响较大。该工作面落差大于3 m的有9 条，见表1。其中位于运料巷的5103-02 断层落差最大，为15 m，位于工作面前方1 196 m 处。

表1 8103 工作面3 m 以上断层统计

1.2 生产条件

工作面开切眼长度233 m，推进距离1 517 m，采用综合机械化后退式放顶煤开采，采高为3.2 m，放煤厚度4.0 m，采放比约为1∶1.2，自然垮落法管理采空区顶板，工作面主要设备见表2。基本架的中心距为1 750 mm，工作阻力为13 000 kN，底板前端比压2.64 MPa，支护强度1.23 MPa。

表2 8103 工作面主要开采设备

8103 工作面采用“四六”制作业方式。早班检修设备，其余班生产出煤。工作面循环进尺0.8 m，每天完成6 个正规循环，日进尺4.8 m。

2 片帮特点及原因分析

2.1 片帮特点

在工作面回采过程中，进行了3 周期来压约40 m 范围的矿压观测，对工作面煤壁的片冒情况进行统计，由统计可以看出，8103 工作面煤壁片帮主要有以下特点：

1）片帮尺寸。片帮长度集中在4 m 以上，占比83%，其中片帮长度2～3 m 之间的发生频率最大。片帮高度主要集中在2 m 以下，占比85%。见图2。

图2 工作面片冒统计

2）片帮位置和形式。片帮位置主要集中在煤壁的上分层，片帮形式为拉伸破坏和剪切破坏，如图3所示。

图3 8103 工作面主要片帮形式

3）断层附近的片帮更加严重。5103-03 断层落差为7.0 m，工作面推进至该断层附近时发生了回采以来的最大片帮，片帮尺寸为6.2 m×3.1 m×2.3 m（长×高×深），对生产造成了严重影响。

2.2 片帮原因

综合分析，造成8103 综放工作面煤壁片帮的主要因素有：

1）实验室测试表明，4 号煤的单轴抗压强度为9.7 MPa，折算成普氏系数为0.97，为松软煤层，内部节理裂隙发育程度高，受工作面集中应力的影响，极易沿裂隙面发生滑落形成片帮。

2）采用综放开采，超前支承压力分布范围大，加大了支架上方顶煤的破碎程度，水平位移大，在支架前方漏顶。

3）工作面断层分布密集，受断层影响煤层本身的塑性破坏区域范围大，工作面回采至断层附近时，断层活化，煤壁发生沿断层面的滑移造成失稳。

4）工作面支架管理存在短板，多个液压支架的位态不正，顶梁抬头现象严重，初撑力不足，漏液多，工作阻力低，对顶板的支护效果差。

5）煤壁片帮后未及时采取措施，无支护空间的增大诱发了冒顶的发生，形成了片帮-冒顶-片帮的恶性循环，加剧了工作面片冒的程度。

3 数值模拟分析

3.1 模型的建立

以8103 工作面的地质生产条件为基础，采用UDEC 数值模拟软件对影响煤壁片帮的因素进行分析。

图4 UDEC 数值计算模型

工作面推进方向为x 轴方向，竖直方向为y 轴。模型尺寸为150 m×60 m，围岩本构关系为摩尔-库伦模型。基本顶块度为6.0 m×4.0 m，直接顶块度为2.0 m×1.5 m，割煤和放煤的块度一致，均为0.25 m×0.25 m。数值计算模型如图4 所示。

上部边界约束条件为应力边界，下部边界条件为位移边界，工作面回采方向可自由移动，竖直方向固定铰支。模型两侧为煤体和顶底板岩体，采用位移边界条件，竖直方向自由运动，x 方向固定。

以平均不平衡力达到最大不平衡力的1/15 000，视模型为原岩应力状态。

3.2 模拟方案

主要模拟端面距和支架工作阻力对煤壁片帮、冒顶的影响程度，主要的模拟方案为：

1）端面距对煤壁稳定性影响。保持支架工作阻力为10 400 kN 不变，模拟端面距为0.00、250、500、750、1 000、1 250 m 6 种情况下煤壁的片冒情况。

2）支架工作阻力对煤壁稳定性影响。保持端面距为0.5 m 不变，模拟工作阻力为11 500 、12 000 、12 500、13 000、13 500、14 000 kN 时的煤壁稳定性。

3.3 模拟结果分析

图5 数值模拟结果（端面距0.5m）

端面距为0.5 m 时，煤壁片冒情况的数值模拟结果如图5 所示。

根据6 种方案的数值结果，可得到端面距对煤壁稳定性关系曲线，如图6 所示。

由图6（a）可以看出，端面稳定性与端面距的大小成近似反比例关系，端面距越大，端面稳定性越差。当端面距小于500 mm 时，煤壁片冒尺寸较小，一般在260 mm 以下，端面控制效果好。当端面距超过500 mm 时，随着端面距的增大，端面稳定性急剧降低，当端面距为1.5 m 时，片帮超过1.0 m，冒顶超过1.5 m，煤壁片冒难以控制。

由图6（b）可以看出，支架工作阻力对端面失稳有较好的控制效果。当支架工作阻力从11 500 kN升至13 000 kN 的过程中，煤壁片帮、冒顶尺寸呈直线下降，下降速率大。但当工作阻力由13 000 kN 提高至14 000 kN 时，片帮、冒顶的尺寸也有所减小，但降幅较小。

图6 端面稳定性影响因素模拟结果

由数值模拟结果可知，8103 工作面的端面距应控制在500 mm 以内，支架工作阻力为13 000 kN，当前支架选型合理。

4 控制措施及效果

通过对8103 工作面片帮特点及原因的分析，结合数值模拟的分析结果，在8103 工作面采取以下控制措施。

4.1 玻璃钢锚杆加固

对于一般片帮区域在煤壁上补打玻璃钢锚杆加固。锚杆规格为φ20 mm×2 500 mm，采用2 卷K2345 树脂药卷锚固，布置方式为“二一二”五花布置，2 根锚杆的上位锚杆距顶800 mm，间距为700 mm，单根锚杆布置在2 根锚杆之间，距顶板1 500 mm，如图7 所示。锚杆排距视现场情况而定，保持在800～1 000 mm 之间。所有的锚杆配木托盘，规格为300 mm×300 mm×50 mm（长×宽×厚）、孔径为22 mm。

图7 玻璃钢锚杆布置示意图（单位：mm）

4.2 注浆加固

注浆可以提高煤体的物理力学性能，提高煤壁稳定性，但注浆成本相对较高。因此，一般在工作面通过断层或片帮严重时采取注浆措施。注浆孔布置见图8。上排注浆孔距离顶板600 mm，向上倾斜20°，下排注浆孔距离顶板1 600 mm，垂直煤壁，上下排交错布置，排距为3 000 mm。注浆孔φ32 mm，孔深为8 000 mm，注浆压力不得大于8 MPa，当有浆液流出时及时调整压力或停止注浆。

图8 注浆孔布置图（单位：mm）

4.3 其他措施

1）保证支架初撑力和工作阻力。当支架出现片冒造成不接顶时，要及时采取背板接顶等措施，避免支承压力向前方转移，加剧片帮。

2）及时移架。滞后采煤机2 个支架开始移架，并且带压移架，移架过程中支架降低高度不得超过80 mm，贴顶前移。

3）加强煤壁片帮预警监测。加强对工作面全长、全时段的矿压观测，加强煤壁片帮预警，一旦出现支架工作阻力骤降及位态不正等情况，及时采取措施加固煤壁。

4.4 治理效果

采取以上措施后，8103 工作面煤壁片帮冒顶的发生频率明显降低，片帮范围有明显改善。最大片帮长度由6.2 m 变为2.5 m，片帮深度和高度均小于1.5 m，经过落差最大的断层5103-02 时，由于提前采取了注浆加固措施，工作面正常回采，未观测到明显片帮，工作面煤壁稳定性控制取得了理想的效果。

5 结 论

1）8103 综放工作面片帮长度集中在4 m 以上，高度主要集中在2 m 以下，片帮形式主要为拉伸破坏和剪切破坏。

2）煤层单轴抗压强度低、工作面断层分布密集、支架管理存在短板、未及时采取处理措施等是造成工作面片帮频发的主要原因。

3）数值模拟分析表明，8103 工作面的端面距应控制在500 mm 以内，支架工作阻力为13 000 kN。

4）通过采取玻璃钢锚杆、注浆加固、提高支架工作阻力、及时带压移架等措施，工作面片帮频率和范围明显减少，实现了工作面的安全回采。