楊志弘

(山西忻州神達(dá)南岔煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 036700)

煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占有非常重要的地位，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障[1-2]. 受地質(zhì)條件影響，堅(jiān)硬頂板煤層在我國(guó)分布廣泛，這類(lèi)煤層開(kāi)采過(guò)程中，易導(dǎo)致煤壁發(fā)生片幫危害，致使“支架-圍巖”作用失穩(wěn)，給煤礦安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅[3-5]. 這就需要研究該條件下煤壁片幫防控技術(shù)，以有效解決這類(lèi)問(wèn)題。在這方面研究中，朱利軍針對(duì)大采高工作面煤壁片幫問(wèn)題，提出了錨桿支護(hù)加固與注漿加固相結(jié)合的煤壁片幫控制技術(shù)[6]；張敏分析了煤壁片幫機(jī)理，提出了“注漿+聚氨酯梯形錨棚支護(hù)”聯(lián)合控制技術(shù)，取得了顯著應(yīng)用成效[7]；張寅偉針對(duì)巷幫片幫導(dǎo)致巷道空頂面積大、頂板穩(wěn)定性差等問(wèn)題，提出了“柔性注漿加固+桁架梯形梁”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[8]；石峰采用數(shù)值模擬方法對(duì)影響煤壁穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析，提出對(duì)煤體破碎段進(jìn)行超前注漿、優(yōu)化采面回采工藝，提高煤壁的穩(wěn)定性[9]. 綜合文獻(xiàn)分析，對(duì)于煤壁片幫的控制主要采取注漿加固及合理的支護(hù)方法，本文以某礦堅(jiān)硬頂板煤層開(kāi)采為工程背景，分析了工作面采場(chǎng)圍巖破壞及變形特征，提出了合理的煤壁片幫防控方法，以保障工作面安全回采。

1 工程概況

某煤礦3507工作面主采3#煤層，煤層厚度3.8～4.9 m，平均厚4.4 m，煤層傾角1°～7°，平均傾角4°，為典型的緩傾斜厚煤層，煤層直接頂為泥巖，基本頂為中細(xì)砂巖，直接底為泥巖，基本底為粉細(xì)砂巖，煤層頂?shù)装鍒?jiān)硬。3507工作面走向長(zhǎng)630 m，寬125 m，采用綜采一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理采空區(qū)，煤巖體綜合柱狀圖見(jiàn)圖1.

圖1 煤巖體綜合柱狀圖

隨著3507工作面推進(jìn)，煤壁片幫時(shí)有發(fā)生，甚至出現(xiàn)了頂板大范圍垮落，導(dǎo)致液壓支架出現(xiàn)傾倒及壓壞情況，對(duì)工作面安全回采造成嚴(yán)重威脅。期間現(xiàn)場(chǎng)采取了提高支架護(hù)幫板力的措施來(lái)限制煤壁片幫，但是效果一般。為此，針對(duì)堅(jiān)硬頂板條件，通過(guò)分析堅(jiān)硬頂板采場(chǎng)圍巖破壞及變形特征，提出可靠的煤壁片幫防控方法是十分必要的。

2 堅(jiān)硬頂板煤層開(kāi)采數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型構(gòu)建

為了研究堅(jiān)硬頂板條件采場(chǎng)圍巖破壞及變形發(fā)展特征，以該礦3507工作面回采情況為工程背景，研究采用FLAC3D數(shù)值軟件進(jìn)行分析，所構(gòu)建的數(shù)值分析模型尺寸為長(zhǎng)250 m×寬225 m×高280 m，在工作面周?chē)粲?0 m寬煤柱以消除邊界效應(yīng)的影響。數(shù)值模型中，工作面寬125 m，巷道尺寸為寬5 m×高4.5 m，模型底部及邊側(cè)進(jìn)行位移約束，頂部施加13.5 MPa垂直載荷等效于上覆巖層重力，煤巖體物學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

2.2 采場(chǎng)圍巖破壞特征

隨回采工作面推進(jìn)，采場(chǎng)圍巖塑性區(qū)發(fā)展情況見(jiàn)圖2. 由圖2可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)20 m時(shí)，采場(chǎng)圍巖破壞主要集中在邊幫煤體及底板巖層中，基本頂整體穩(wěn)定性良好，此時(shí)煤體側(cè)的破壞深度達(dá)6.5 m，底板破壞深度達(dá)18.6 m；當(dāng)工作面推進(jìn)40 m時(shí)，采場(chǎng)圍巖破壞范圍繼續(xù)擴(kuò)大，煤體側(cè)破壞深度基本沒(méi)有顯著變化，頂板破壞高度出現(xiàn)小規(guī)模增加，底板破壞深度顯著增加達(dá)21.5 m；當(dāng)工作面推進(jìn)60 m時(shí)，采場(chǎng)圍巖破壞范圍持續(xù)擴(kuò)大，頂板破壞高度已貫穿基本頂，發(fā)生初次斷裂，此時(shí)煤體側(cè)破壞深度為7.5 m，底板破壞深度達(dá)24.7 m. 說(shuō)明當(dāng)工作面推進(jìn)60 m后，基本頂初次斷裂，在采動(dòng)應(yīng)力影響下，工作面圍巖破壞程度顯著增加，需要重點(diǎn)防范煤壁片幫的發(fā)生。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)表

圖2 隨工作面推進(jìn)采場(chǎng)圍巖破壞情況圖

2.3 采場(chǎng)圍巖變形特征

隨回采工作面推進(jìn)，采場(chǎng)圍巖變形發(fā)展情況見(jiàn)圖3. 隨工作面推進(jìn)，采場(chǎng)圍巖位移變化表現(xiàn)為煤體側(cè)高于底板，頂板位移最小。當(dāng)工作面推進(jìn)20 m時(shí)，煤體側(cè)最大位移達(dá)1.35 m，底板最大位移達(dá)1.15 m，頂板最大位移達(dá)0.45 m；當(dāng)工作面推進(jìn)40 m時(shí)，煤體側(cè)最大位移達(dá)1.67 m，底板最大位移達(dá)1.27 m，頂板最大位移達(dá)0.56 m；當(dāng)工作面推進(jìn)60 m時(shí)，煤體側(cè)最大位移達(dá)1.86 m，底板最大位移達(dá)1.35 m，頂板最大位移達(dá)0.68 m. 可以看出，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，采場(chǎng)圍巖變形整體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，當(dāng)工作面推進(jìn)距離由20 m增加至60 m時(shí)，頂?shù)装寮懊后w側(cè)位移分別增加33.8%、14.8%與27.4%，整體位移增加率較大。

綜合分析，針對(duì)堅(jiān)硬頂板條件，隨回采工作面推進(jìn)，頂板整體位移較小，煤體側(cè)位移最大，煤體側(cè)位移發(fā)展約為頂板的68.2%. 說(shuō)明在工作面回采擾動(dòng)影響下，堅(jiān)硬頂板條件易導(dǎo)致支架與圍巖系統(tǒng)失穩(wěn)，發(fā)生煤壁片幫及冒頂危害，需要及時(shí)采取煤壁片幫控制措施。

圖3 隨工作面推進(jìn)采場(chǎng)圍巖變形情況圖

3 堅(jiān)硬頂板煤壁片幫防控方法

根據(jù)前述分析，3507工作面回采過(guò)程中，煤體側(cè)變形最為嚴(yán)重，易發(fā)生煤壁片幫及頂板冒落危害，主要是由于堅(jiān)硬頂板的懸而不斷，導(dǎo)致垮落步距增大，煤壁壓力增大，為此需要加強(qiáng)煤體整體穩(wěn)定性，以控制片幫發(fā)展。研究提出工作面回采初期，在工作面煤壁幫實(shí)施鉆孔注漿卸壓的煤壁片幫防控方法，通過(guò)向煤體內(nèi)部及頂板注入久米納化學(xué)漿體進(jìn)行加固，保障煤體及頂板的完整性，提高煤體及頂板圍巖的內(nèi)聚力。注漿鉆孔直徑65 mm，長(zhǎng)度7.5 m，每個(gè)排面上布置上下兩排注漿孔，采取交錯(cuò)布置方式，注漿孔間距3.5 m，上下排距1.0 m，其中下排注漿孔布置在巷道中心位置，并且垂直煤壁布置，距巷道底板2.5 m；上排注漿孔與煤壁水平面呈25°夾角，朝向頂板側(cè)布置。鉆孔布置方式見(jiàn)圖4.

圖4 注漿鉆孔布置圖

針對(duì)頂板破碎情況，同時(shí)提出“雙層金屬網(wǎng)+工字鋼”加強(qiáng)支護(hù)措施，進(jìn)一步加強(qiáng)支架與圍巖承載力，在工作面移架過(guò)程中，采取從下到上“少降快拉”方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤壁及頂板的有效支護(hù)。

4 煤壁片幫控制效果

為了驗(yàn)證研究提出的注漿加固及頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施的可靠性，對(duì)方案實(shí)施前后，工作面煤壁片幫情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖5. 可以看出，方案實(shí)施前，工作面推進(jìn)30～50 m時(shí)，在12#—72#支架之間，煤壁出現(xiàn)了大規(guī)模的片幫情況，特別是在后部支架位置，存在2～3個(gè)步距的連續(xù)片幫情況；方案實(shí)施后，工作面推進(jìn)20～40 m時(shí)，僅出現(xiàn)了小規(guī)模的片幫情況，主要為1～2個(gè)步距的零星片幫，煤壁及頂板穩(wěn)定性良好，有效解決了堅(jiān)硬頂板煤壁片幫問(wèn)題。

圖5 煤壁片幫統(tǒng)計(jì)情況圖

5 結(jié) 論

1) 針對(duì)堅(jiān)硬頂板條件，隨回采工作面推進(jìn)，采場(chǎng)圍巖破壞區(qū)發(fā)展主要集中在煤體側(cè)與底板巖層中，隨著推進(jìn)距離的增加，圍巖破壞深度也隨之增加，煤體與底板破壞深度分別達(dá)7.5 m與24.7 m，需要重點(diǎn)防范煤壁片幫的發(fā)生。

2) 隨回采工作面推進(jìn)，采場(chǎng)圍巖變形發(fā)展，主要表現(xiàn)為煤體側(cè)最大(1.86 m)，其次為底板側(cè)(1.35 m)，最小為頂板側(cè)(0.68 m)，位移增加率分別為33.8%、14.8%與27.4%，整體位移增加率較大，易發(fā)生煤壁片幫及冒頂危害，需要及時(shí)采取煤壁片幫控制措施。

3) 研究提出了鉆孔注漿與“雙層金屬網(wǎng)+工字鋼”加強(qiáng)支護(hù)相結(jié)合的煤壁片幫防控方法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，隨工作面推進(jìn)，煤壁僅存在零星片幫情況，煤體及頂板整體穩(wěn)定性良好，煤壁片幫得到了有效控制。