复杂条件下回采工作面煤壁失稳机理与控制技术研究

张 钊

（山西平舒煤业有限公司 ，山西 寿阳 045400）

0 引 言

随着我国煤炭资源的不断开采，赋存条件好的煤层不断减少，煤层开采的地质条件越来越复杂，工作面经常出现起伏不平的状况，也就是仰斜开采和俯斜开采。目前国内外学者对俯仰斜开采展开研究：马文顶,刘长友等[1]认为仰斜开采的仰斜角越大，顶板水平位移量越大，初撑力越小，顶板越容易断裂失稳，必须提高支架的初撑力，才能保证煤壁顶板的稳定性；周健等[2]认为俯仰斜开采时煤壁有三种破坏形式，岩块破坏、结构面破坏、两者同时破坏，以及仰斜开采易使煤壁失稳，俯斜开采易保持煤壁稳定性。本文主要针对8102工作面的煤壁片帮的具体情况，对俯仰采工作面煤壁失稳机理进行分析研究，确定煤壁稳定性控制措施，为相似工程情况提参考和指导作用。

1 工程概况

某矿8102工作面，位于-600m水平北一采区，工作面倾斜长度为156.5m，走向长度为623.8m，主采8#煤层，煤层均厚4.1m，直接顶为泥岩，均厚7.46m；基本顶为厚细砂岩，均厚4.8m；直接底为泥岩，均厚6.58m；老底为细砂岩，均厚3.24m，属软弱煤层，煤层平均倾角5°。由于煤层松软，节理裂隙较发育，工作面起伏不平，局部片帮深度超过1.8m，严重影响生产安全，急需采取有效措施控制煤壁失稳。

2 煤壁失稳机理

根据现有研究成果，工作面煤壁失稳破坏及工作面超前支承压力的分布特征，受开采角度和推进方向影响较大[3]。工作面煤壁至超前支撑压力峰值点的距离和其峰值的大小，使不同角度工作面煤壁前方支撑力产生差异。

图1 水平工作面与俯仰斜工作面的支承压力分布特点

图1 为其他开采条件相同时，俯仰斜工作面及水平工作面煤壁支承压力的分布情况。图中，γ为上覆岩层平均容重，kN·m-3；α为俯仰斜角度，°；M为工作面采高，m；H 为工作面埋深，m；k1、k2、k3为支承压力集中系数。

假设在水平工作面中，煤壁至超前支承压力峰值点的距离为l0。计算可得，俯仰斜工作面煤壁至超前支承压力峰值点的距离l1、l2分别为[4]：

由图1及式（1）可知：①煤壁超前支承压力峰值点至煤壁的距离大小顺序为：俯斜开采＞水平开采＞仰斜开采；②俯斜开采时，峰值点朝着煤体侧内移，且α角越大，内移越明显；仰斜开采时，峰值点朝着煤体采空侧外移，且α角越大，外移越明显。超前支承压力峰值点的外移加剧煤壁的失稳破坏，内移有助于煤壁的稳定；③俯采段煤壁未发生明显片帮现象，稳定性较好；仰采段易发生片帮现象，稳定性较差。综上，通过俯仰斜工作面支撑压力特点，分析了煤壁失稳机理，为复杂条件下回采工作面煤壁稳定性的控制技术提供了理论依据。

3 工作面煤壁稳定性控制及效果

3.1 煤壁支承压力分布特点

根据8102工作面实际情况，运用UDEC数值模拟软件对不同角度煤层上方支撑力进行计算，选取煤层倾角为0°、±15°、±30°时煤壁上方支承压力进行对比研究分析，得到不同开采角度下支承压力峰值距工作面煤壁距离变化曲线，如图2所示。

图2 不同开采角度下支承压力峰值距工作面煤壁距离变化曲线

从图中可以看出：当工作面倾斜角度由-30°变化到30°（即由仰采变化到俯采）时，支承压力峰值位置逐渐远离工作面煤壁。也就是说，仰采时工作面支承压力峰值位置向采空区外移，易使煤壁发生片帮，且仰斜角度越大，煤壁越容易失稳；俯采时工作面支承压力峰值位置向煤体侧内移，煤壁稳定性较好。所以，尽量避免大角度仰斜开采，宜采用俯斜开采。

3.2 支承压力影响范围实测

煤壁稳定性与工作面超前支承压力密切相关，可以通过巷道表面位移来反应工作面超前支承压力分布规律。由此对8102工作面运输巷和回风巷表面位移进行监测，并对运输巷结果进行出图分析，如图3所示。

图3 运输巷表面位移观测结果

由监测结果可知，运输巷和回风巷曲线变化规律相近，对两巷累积表面位移规律进归纳后，可分为三个阶段：剧烈期、过渡期、平缓期。在对位移观测结果进行分析时，考虑到巷道存在一定范围的自变形，所以20mm内的变形量不计入支承力影响范围内。9～27m内：剧烈期，工作面超前支承压力对此区域影响较大；4～7m内：过渡区，此区域为平缓期到剧烈期的过渡区；68～90m内：平缓期，工作面超前支承压力对此区域影响较小。通过对8102运输巷和回风巷表面位移的观测，确定了超前支承压力的影响较大区域为 9～27m。

3.3 工作面支架初撑力分析

现场观测后，初步认为8102工作面严重片帮的主要原因是支架的初撑力不足[5]。因此，对8102工作面内49#～130#液压支架初撑力持续监测49天，并将得到的数据进行整理分析，绘出相应的频率直方图如图4所示。

1）由图3可知，支架初撑力主要分布范围在15～30MPa，20MPa以上的占50.9%，而30MPa以上的仅占0.2%。该矿设计要求的合理初撑力为24MPa，实际工作面初撑力达到该值的仅占总量的20%左右，远达不到设计要求，导致工作面顶板下沉量大，片帮严重。

图4 支架初撑力统计直方图

2）在监测的液压支架范围中，45#和50#上部支架初撑力数值较小，且分布较均匀。初撑力在20 MPa以上的占36.8%，而25 MPa以上的仅占18.4%，上部煤壁片帮深度达0.6 m～1.5 m，片帮明显；下部初撑力在20 MPa以上的占54.7%，而25 MPa以上的也仅占19.5%。对比可知，支架下部初撑力偏大，导致煤壁片帮数量较少，但是仍存在一定数量的片帮，支架初撑力有待改进。

3.4 煤壁稳定性控制措施

针对8102工作面煤壁失稳状况，结合上述理论分析，对工作面采取的控制方法如下：

1）支架控制措施。改善支架初撑力，保证支架的初撑力＞20 MPa，同时加大对支架质量的监测力度，确保支架结构对煤壁提供足够的初撑力。

2）尽量避免大角度仰采。仰采时工作面前方煤体顶板岩层支撑力指向采空区，易使煤壁发生片帮，且仰斜角度越大，煤壁越容易失稳。

3）煤壁采取提前松帮措施。当有大块煤体滑落，煤壁片帮严重时，需对煤壁采取提前松帮措施，当采煤机割到煤层节理发育等容易发生片帮的地方，应提前往返收合几下支架护帮板，让软弱煤壁提前片下，防止因大面积片帮而引起的机械损坏和人员伤亡。

4）对煤体采取超前注浆措施。8102工作面煤层较松软，可针对松散破碎煤体及薄弱位置采取超前注浆加固措施，提高煤壁稳定性。

5）分区段控制措施。由第2章煤壁失稳机理，仰采段易发生片帮现象，稳定性较差；俯采段煤壁未发生明显片帮现象，稳定性较好。因此，针对仰采阶段煤壁失稳情况，可对煤体采用木锚杆、玻璃钢对煤壁的上部等软弱位置进行加强支护；也可采取超前注浆加固措施。

6）加强矿压监测预报。不仅对煤壁矿压进行实时监测，也要对工作面顶板矿压持续监测，从而对工作面顶板来压进行预测，及时采取防范措施，如确保支架稳定性、适当降低采高等，保障工作面煤壁的稳定性。

3.5 加固煤壁效果分析

通过对8102工作面煤壁采取上述稳定性控制措施方案后，提升了煤壁的整体稳定性，根据现场观测知，加固后的工作面煤壁在回采推进时，基本无煤壁片帮现象的出现，工作面回采期间煤壁的破坏得到了有效的控制。

4 结 论

针对8102工作面回采期间出现的煤壁片帮现象，首先分析了俯仰开采的支撑压力特点，得出了煤壁失稳机理，然后通过UDEC数值模拟软件对不同角度的支撑力分布特征进行模拟，并结合现场实测确定超前支承压力影响范围及液压支架初撑力的大小，再根据工作面实际情况对煤壁控制措施进行具体设计。在对8102工作面采取稳定性控制措施方案后，工作面回采期间基本无片帮现象出现，有效提高了煤壁稳定性。