郭俊生

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 興縣 033602)

在我國(guó)一次性大采高工作面采煤技術(shù)已經(jīng)成熟，在高產(chǎn)高效礦井中得到了廣泛的應(yīng)用，但從采煤現(xiàn)場(chǎng)來看，隨著一次性采煤高度的增加，煤壁片幫嚴(yán)重，片幫范圍從幾米至十幾米，甚至斷續(xù)整個(gè)工作面，且片幫后，由于空頂距增大，常引發(fā)端面冒漏，惡化頂板條件，制約生產(chǎn)。同時(shí)，高冒落的煤巖塊，還有可能砸壞設(shè)備或傷及工作人員，給礦井安全帶來隱患。在煤壁片幫機(jī)理及防治措施課題中，斜溝煤礦根據(jù)8#煤層地質(zhì)條件，深入研究煤層開采空間應(yīng)力情況，并利用FLAC3D數(shù)值模擬煤壁應(yīng)力，通過簡(jiǎn)化支架與煤壁組合體受力情況，從“壓桿”理論在形式上以短粗壓桿穩(wěn)定性探討煤壁撓度和片幫深度，初步摸清了大采高工作面煤壁片幫和端面冒漏機(jī)理，為有效防治片漏提出了理論依據(jù)。

1 煤巖體空間應(yīng)力分析

1.1 煤體原始空間應(yīng)力

井田為一走向近南北，傾向西的單斜構(gòu)造，地層傾角9°～12°，8#煤層頂板多為砂巖及砂泥巖的復(fù)合型頂板，采掘中揭露的頂板煤巖層間，常見明顯的構(gòu)造摩擦鏡面，煤層主裂隙帶走向一般為186°，傾向276°、傾角53°，構(gòu)造應(yīng)力σ構(gòu)方向?yàn)榻鼥|西向。此時(shí)，煤體內(nèi)空間三向受力平衡，即∑Fy=0,∑my(F)=0、∑Fx=0,∑mx(F)=0、∑Fz=0,∑mz(F)=0.

1.2 煤體采動(dòng)空間應(yīng)力

圖1 煤層開采煤壁空間直角坐標(biāo)交匯應(yīng)力圖

煤層開采煤壁空間直角坐標(biāo)交匯應(yīng)力圖見圖1.由圖1可知，在與y軸垂直的兩平面上，正應(yīng)力為σy=KγH=2 700～33 300 KN/m2=2.8～33.3 MPa，切應(yīng)力為τy；在與x軸垂直的兩平面上，正應(yīng)力為σx=λmaxKγH±σ構(gòu)，切應(yīng)力為τx. 此時(shí)，煤壁附近煤體內(nèi)應(yīng)力面的受力大小，取決于應(yīng)力集中系數(shù)K、側(cè)壓系數(shù)λ、σ構(gòu)的大小及方向,應(yīng)力斜截面走向均垂直于煤壁，應(yīng)力面均傾向于工作面兩順槽，形成交匯共軛應(yīng)力面，在煤壁附近煤體內(nèi)形成相割裂隙，遇煤體內(nèi)生裂隙時(shí)，則加速發(fā)育程度。

在與z軸垂直的兩平面上，主應(yīng)力為單向正應(yīng)力σz=λKγH，此時(shí)，煤壁為自由面，抗壓強(qiáng)度較小，σzmin應(yīng)力往往沿煤層結(jié)構(gòu)弱面釋放，在煤壁附近煤體內(nèi)發(fā)育水平裂隙；在煤壁附近的煤體深處σzmax=1 269～15 651 KN/m2=1.3～15.7 MPa，應(yīng)力斜截面走向平行于煤壁，應(yīng)力面傾向于煤壁，形成裂隙，根據(jù)“庫侖-莫爾”強(qiáng)度理論,巖體剪切破壞準(zhǔn)則可表示為：τz=c+σxtanφ.式中，c為煤體的黏聚力，取2.1，MPa；σy為y軸向的應(yīng)力，MPa；φ為煤體的內(nèi)摩擦角，取38.4°，得τz=4.3～28.5 MPa.利用斜直線型強(qiáng)度包絡(luò)線求得煤壁剪切破壞面與最大主平面的夾角a=45°+φ/2，此時(shí)，σzmax應(yīng)力將向煤壁側(cè)沿α面釋放。

在頂板來壓期間，煤壁附近煤體應(yīng)力增大，煤體內(nèi)部破裂加劇，并伴有“嘣嘣”的響聲。在煤壁深處，由于z軸方向的擠壓逐漸增大，其抗壓強(qiáng)度也逐漸增加，煤壁由近似單向受力狀態(tài)，逐步過渡到空間三向受力平衡狀態(tài)，隨工作面不斷推進(jìn)時(shí)，應(yīng)力峰值也將穩(wěn)定地在煤壁深處向前移動(dòng)。

煤體開采后,由于破壞了原始應(yīng)力平衡,在煤壁的前方形成了松塌區(qū)、松弛區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)應(yīng)力升高部分和彈性區(qū)原始應(yīng)力區(qū)等5個(gè)區(qū)域。煤壁前方松塌區(qū)和松弛區(qū)為煤體殘余強(qiáng)度支撐區(qū)，見圖2.

1—彈性應(yīng)力 2—彈塑性應(yīng)力 Ⅰ—松塌區(qū) Ⅱ—松馳區(qū) Ⅱ、Ⅲ—塑性區(qū) Ⅳ—彈性區(qū)應(yīng)力升高部分 Ⅴ—彈性區(qū)原始應(yīng)力區(qū)

利用FLAC3D數(shù)值模擬分析，煤壁附近煤體受到應(yīng)力強(qiáng)度極限后，殘余強(qiáng)度仍保持較小的承載能力，支撐應(yīng)力沿采煤空間呈“C型”分布，見圖3.

圖3 工作面開采后煤壁應(yīng)力分布圖

1.3 支架與煤壁組合體力學(xué)模型

1.4 煤壁片幫深度計(jì)算

表1 采高與片幫深度關(guān)系計(jì)算表

由表1可以看出，隨著工作面采高的增加，煤壁片幫預(yù)裂深度逐漸加大，也就是說片幫煤體自重力在掙脫頂板和裂隙面的黏結(jié)力不斷加大。只要在工作面煤壁撓度段加大側(cè)向壓力或增強(qiáng)煤壁強(qiáng)度，煤壁的片幫預(yù)裂深度就能減小，煤體自重就能減輕。因此，只要有效地控制了煤壁的片幫，就能消除端面冒頂?shù)恼T發(fā)因素。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例

以斜溝煤礦18102工作面為例，該面走向長(zhǎng)5 279 m，傾向?qū)?03.2 m. 在工作面老頂初次垮落，采高達(dá)到設(shè)計(jì)的6.3 m后，工作面中間煤壁片幫現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重，影響正常生產(chǎn)。根據(jù)表1在煤壁最大撓度段施工2倍煤壁片幫深度的小孔徑注漿孔并注漿，增強(qiáng)了煤壁強(qiáng)度，控制了煤壁片幫現(xiàn)象。

3 防治措施

1) 采用前梁加伸縮梁，帶二級(jí)護(hù)幫結(jié)構(gòu)，縮小端面距，使護(hù)幫板緊密接觸煤壁撓度位置，加大煤壁最大撓度位置的側(cè)向受壓，進(jìn)一步控制煤壁撓度段片幫的形成。

2) 保證支架的初撐力，割煤時(shí)實(shí)行雙向鄰架自動(dòng)順序控制，追機(jī)移架，移架采用“帶壓擦頂移架法”，移動(dòng)時(shí)要一步到位，避免二次降架，通過頂板“建梁”的作用傳遞給煤壁上方，減少對(duì)煤壁的壓力。

3) 遇到煤壁片幫嚴(yán)重時(shí)，采煤機(jī)在割煤過程中，前滾筒降刀割過，減小對(duì)煤壁撓度段的干擾力，采煤機(jī)割過后，及時(shí)打出護(hù)幫板；遇到構(gòu)造應(yīng)力集中地段時(shí)，工作面應(yīng)留0.7 m厚的頂煤托頂推過，若片幫仍在加劇，應(yīng)超前預(yù)注固安特化學(xué)漿，提高頂板和煤壁的整體性及強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

1) 以原始煤巖體空間應(yīng)力為基礎(chǔ)，列出了采動(dòng)對(duì)原始巖體空間應(yīng)力影響的關(guān)系式，以及采場(chǎng)應(yīng)力的重新分布，將采煤工作面“支架與煤壁組合體”視為矩型截面，利用壓桿公式得出采高與片幫的關(guān)系規(guī)律，為采場(chǎng)控制片幫提供了依據(jù)。

2) 通過加大煤壁側(cè)向受壓、加足頂板初撐力提高頂板支護(hù)，以及采煤機(jī)降刀割過、煤壁預(yù)注化學(xué)漿提高煤壁撓動(dòng)段的完整性等措施，有效地控制了煤壁片幫深度，減少了大面積片幫甚至冒頂?shù)恼T發(fā)因素，給正常生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。特別是在地質(zhì)構(gòu)造破碎段推進(jìn)時(shí)，工作面日產(chǎn)達(dá)到16 508 t，實(shí)現(xiàn)了大采高工作面高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的要求。