厚煤层一次采全高工作面煤壁失稳原因及控制技术

王国勋

（西山煤电晋兴公司斜沟煤矿， 山西 兴县 033600）

厚煤层一次采全高技术相对综放开采而言可以提升煤炭采出率，在矿井中后煤层开采中得到广泛应用[1]。由于一次开采厚度大，造成采场空间一次悬露面积多，矿压显现、煤壁片帮失稳等显现更容易发生，严重时会出现设备以及人员损伤事故，给矿井生产带来不利影响[2-3]。文中以山西某矿6501 大采高一次采全高工作面为研究背景，对煤壁失稳原因及影响因素进行分析，并提出有针对性煤壁失稳控制技术，解决矿井实践过程中遇到煤壁片帮难题。

1 大采高工作面煤壁片帮原因

当开挖煤体后，在超前支承压力影响下，煤壁表面煤体首先遭受破坏，产生大量裂隙，并向煤体深部扩展，从而在煤壁表面出现一定深度的塑性区[4]。塑性区是导致煤壁出现片帮的一个重要方面，研究塑性区、超前支承压力分布可以更好地解释煤壁片帮原因。

具体煤壁受力简化模型见图1，由于煤层厚度相对比采深而言很小，因此可以近似认为σx均衡分布，σy沿着煤层厚度方向上不发生变化，σx、σz表示作用于单元煤体上的压应力，将煤层与顶板、底板接触面间的内聚力、摩擦系数分别用c1、f1表示，则煤层与顶底板间摩擦阻力大小为c1+σzf1，作用方向面向采空区[5-6]。

根据极限平衡条件（∑F＝0），可以得出水平方向上的极限平衡方程，具体见公式1。

对公式（1）进行整理后得到式（2）。

图1 煤壁受力简化模型

由于煤壁一侧为实体煤，另一侧为采空区，因此水平应力在面向采空区方向得以释放，造成σz显著高于 σx，且 σx与 σ3、σz与 σ1之间存在较小夹角，因此，认为σz、σx分别为最大、最小主应力。设定煤体屈服时满足Lade-Duncan 准则，则对可以将公式（2）进行转化得到公式（3）。

式中：P 表示采面液压支架前挡板对煤壁支撑力。

将D 表达式带入到公式（3）中，并简化得到公式（4）。

设定采面前方煤壁内最大支承压力位于弹、塑性区分界处，则

式中：K1为应力集中系数；γ 为覆岩容重；H 为埋深。

将公式（5）带入到公式（4）并简化得到，采面煤壁塑性区分布范围x 计算公式，具体如公式（6）所示。

从公式（6）可以看出，采面开采空间捏的支架支撑强度，档煤板护壁强度、采面采深、高面高度、煤体强度等是影响采面前方煤壁塑性区分布范围的重要因素。通过提高采面液压支架支撑阻力、档煤板护壁强度，提升煤体强度等，可以在一定程度上减少前方煤体塑性区分布范围，在一定程度上降低煤壁片帮严重程度。

2 煤壁片帮影响因素分析

根据该矿6501 工作面情况，采用FLAC3D软件对煤壁片帮影响因素进行分析。

2.1 采面液压支架支撑强度

根据模拟计算结果得到6501 工作面不同支护强度下的顶板下沉量、煤壁位移量变化曲线，具体见图 2、图3。

图2 不同支护强度下的顶板下沉量变化曲线图

图3 不同支护强度下的顶板下沉量变化曲线图

从图2、图3 可以看出，随着采面液压支架支撑阻力的提升，采面顶板下沉量、煤壁水平位移量均出现降低。当采面液压支架工作阻力高于1.2 MPa 时，顶板下沉量、煤壁水平位移量变化趋于平缓。表明，提高采面液压支架工作阻力可以在一定程度上控制顶板下沉及煤壁水平位移，但是对顶板下沉量控制效果要高于对煤壁水平位移控制效果。同时液压支架工作阻力增加至一定值后，再逐渐加大，对顶板、煤壁位移控制效果增加不明显。结果表明，在一定范围内，通过提升液压支架工作阻力，有利于降低顶板下沉施加于煤壁前方的工作阻力，较少煤壁片帮破坏程度。

2.2 档煤板护壁强度

具体档煤板不同护壁强度下的煤壁水平位移情况见图4。

图4 档煤板不同护壁强度下的煤壁水平位移变化曲线图

从图4 中可以看出，在竖向方向上煤壁水平位移呈现出靠近顶、底板处位移量小，煤壁中部位移量大趋势。同时随着档煤板支撑强度增加，煤壁水平位移量值显著降低，主要是由于受到档煤板支护作用，在工作面推进方向向煤壁施加以侧向作用力，使得煤壁受力由两向受力变成三向受力，提高了煤壁抵抗变形的能力。同时在煤壁上提高挡煤板支撑强度，也可以减少煤壁前方塑性区范围，降低煤壁片帮发生可能。

2.3 注浆加固对采面煤壁变形量影响

采用大采高一次采全高开采时，采面矿压显现、采动压力更为明显，采面前方煤体内部裂隙、节理发育，导致煤壁稳定性及承载能力降低。通过改变采面前方煤体力学性质，可以在一定程度上降低煤体裂隙发育程度，降低煤壁片帮，注浆是一种较为常用的煤壁加固技术措施。具体采用注浆、无注浆两种条件下煤壁垂向应力分布、水平位移变形量见图5，图6。

图5 注浆、无注浆两种条件下煤壁垂向应力分布图

图6 注浆、无注浆两种条件下煤壁水平位移变变化曲线

从图6 中看出，对采面前方煤体进行注浆加固后，采面边缘煤壁处的垂向应力显著提升，主要是边缘煤壁在注浆作用下承载能力得以提升，塑性区破坏范围有所降低。同时对煤壁进行注浆后，煤壁水平位移量得到大幅度降低。因此，注浆加固对保证煤壁稳定，避免煤壁片帮具有重要作用。

3 现场实践分析

通过对6501 大采高工作面煤壁片帮发生原因及影响因素分析，在现场应用中通过采用提高采面液压支架支撑强度、强化档煤板支撑能力、提升采面推进速度以及煤壁超前注浆加固等技术手段，来对煤壁失稳进行控制。

3.1 提高采面液压支架支撑强度

根据上述分析结果，在6501 大采高工作面液压支架支撑强度为1.2 MPa 时，液压支架对煤层顶板、煤壁起到较好的支撑作用。为了提高支撑效果，并考虑10%富裕系数，采面液压支架最终支护强度应达到1.32 MPa。

根据采用的液压支架空顶距离、顶梁长度、配套尺寸等，根据下述公式（7）可以计算出液压支架工作阻力。

式中：P 为液压支架工作阻力；q 为支架支承强度，取值 1.32 MPa；B 表示液压支架宽度，取值 1.75 m；LK、LD分别为梁端宽（取值0.65 m）、顶梁长（取值4.6 m）。

计算得出，液压支架工作阻力为12 128 kN，考虑一定富裕系数，最终确定采面液压支架工作阻力为1.3×105kN，安全阀开启值为46.9 MPa。

3.2 强化档煤板支撑能力

在6501 大采高工作面液压支架前端档煤板采用由液压油缸、护帮板组成的三级护帮结构，其中第三级护帮结构可以实现180°旋转，护帮高度h 达到3 m 以上，强度p 达到0.85 MPa 以上，具体三级护帮结构见图7。

图7 三级护帮结构（mm）

3.3 提升采面推进速度

由于采面煤壁失稳具有一定时效性，可以适当提升采面推进速度，降低各种不正常事故给采面正常生产带来影响，若不得已需要停采时尽量停止在煤层较薄、顶板条件较好地段。当采面煤壁片帮严重时，可以采用台阶法截割煤炭，主要是采煤机先回采上层顶煤，形成高度约为2.5 m 上台阶，并及时伸出顶梁护顶，不推溜，返回时切割下部堆煤，移动刮板输送机。

3.4 煤壁超前注浆加固

由于开采的6 号煤层硬度值在0.6，较为松软，采用大采高一次采全高工艺，煤壁出现失稳片帮可能增加，在回采工作面采用超前注入高水速凝材料进行加固。根据煤壁片帮失稳分析结果，具体确定的采面注浆钻孔参数及见表1 和图8。

表1 注浆钻孔参数

图8 注浆钻孔布置示意图

3.5 应用效果

在回采工作面布置5 个测站，对采面采用煤壁失稳控制技术前后的煤壁片帮情况进行对比监测。从监测结果得出，采用煤壁片帮控制技术后，煤壁片帮严重程度得到显著降低，最大片帮深度从以往1.68 m 降低至0.58 m，采面平均煤壁片帮深度从0.93 m 降低至0.28 m，片帮范围从87%降低至25%。表明，在6501 大采高工作面采用的煤壁失稳片帮控制技术应用效果明显，可以有效控制煤壁片帮发生。

4 结论

1）采用理论分析方法对6501 大采高工作面煤壁片帮发生原因进行分析，并具体对开采引起的煤壁塑性区分布范围，超前支撑压力分布情况等进行研究，并确定采面液压支架支撑强度、煤体强度、埋深、开采高度以及档煤板支撑强度等是影响煤壁稳定性的主要因素。

2）根据理论分析结果，对支架支撑强度、档煤板护壁强度、注浆加固对采面煤壁变形量影响等因素对煤壁失稳片帮作用进行具体分析，并根据分析结果，在6501 大采高工作面采用提高采面液压支架支撑强度、强化档煤板支撑能力、提升采面推进速度以及煤壁超前注浆加固等技术手段，来对煤壁失稳进行控制。

3）6501 大采高工作面采用提出的煤壁失稳控制技术后，围岩稳定性显现提升，煤壁片帮深度从0.93 m 降低至0.28 m，片帮范围从87%降低至25%，现场应用取得显著效果。