大倾角双坡向综放开采煤壁片帮治理技术

于健浩，申秀颀，毛德兵

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083；

3.河南理工大学，河南 焦作 454000；4.山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西 长治 046000)



大倾角双坡向综放开采煤壁片帮治理技术

于健浩1,2，申秀颀3,4，毛德兵1

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083；

3.河南理工大学，河南 焦作 454000；4.山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西 长治 046000)

[摘要]针对大倾角双坡向煤层赋存特点，采用数值模拟方法对3206工作面前方煤壁支承压力分布和支架支护强度对煤壁稳定性影响进行了分析；分析了大倾角双坡向综放开采煤壁片帮冒顶的主要因素；根据煤壁片帮冒顶特征，并结合数值模拟结果，制定了改善支架工况、工艺参数优化、煤体加固一体化的煤壁片帮综合防治技术，在实际回采过程中取得了较好的应用效果，有效地保证了工作面安全回采。

[关键词]大倾角；双坡向；支承压力；煤壁片帮

[引用格式]于健浩，申秀颀，毛德兵.大倾角双坡向综放开采煤壁片帮治理技术[J].煤矿开采，2015，20(6)：19-22，59.

1概述

大倾角厚煤层在我国分布较为广泛，根据煤体强度及地质条件差异，多采用大倾角综放或大采高综采对其进行回采。在大倾角工作面，煤层顶板不仅受到覆岩自重力、支承压力的作用而产生变形破坏，还同时受到倾斜方向覆岩重力分力的作用影响[1]。因此，大倾角煤层顶板并非完全沿层里面法向移动，当走向方向出现起伏时，尤其是在大倾角仰采条件下，即大倾角双坡向煤层开采，顶板法向分力进一步降低，切向分力增大，顶板切向运动造成液压支架侧向力升高，可能导致支架失稳倾倒。同时，由于大倾角厚煤层受到地质构造运动的挤压作用，煤层顶底板岩石的层理和原生裂隙较发育，围岩整体性较弱，较易冒落[2]。

大倾角双坡向厚煤层回采具有以下特征：

(1)矿压显现不均衡当采用走向长壁综放开采时，垮落的顶板和残留顶煤沿着底板向工作面下部采空区滑落，采空区形成非均匀充填，导致工作面不同区域矿压显现不均衡，下部采空区顶板在煤岩块的支撑作用下造成工作面中上部矿压显现比下部要剧烈[3]。

(2)存在大范围片帮冒顶风险受采动影响煤体整体性遭到破坏，加之工作面仰采受煤岩自身重力影响，极易出现大面积片帮现象。片帮发生后，前方软弱的顶煤及顶板失去煤壁支护，容易发生冒顶危险，对工作面人员及设备危害较大[4-5]。

(3)工作面设备稳定性差由于重力的法向及切向分量都随着倾角增加而改变，使得切向分力增大，同时，由于走向坡度的存在，法向分力进一步降低，支架工作载荷降低，失稳外载增大，工作面滑架、倒架以及挤、咬现象加剧[6-8]。输送机和采煤机也会在切向分力的作用下发生“漂移”和翻转。

2大倾角双坡向综放开采围岩移动规律研究

煤壁片帮冒顶是影响大倾角煤层安全开采的关键问题。为了揭示大倾角双坡向综放开采围岩的运动特点，研究支承压力峰值对前方顶煤及煤壁稳定性的影响，运用数值模拟方法，以潞安矿区某矿为研究对象，对双坡度不同煤层仰角条件下3206工作面围岩支承压力分布及移动变形规律进行研究。

2.1仰采角度对支承压力分布的影响分析

针对该矿某大倾角双坡向工作面具体条件，采用三维有限差分程序 FLAC3D对不同角度仰斜开采条件下综放工作面前方支承压力分布特征进行数值计算分析。根据该矿实际地质条件，建立数值计算模型，煤层平均厚度5.8m，割煤高度2.6m，放煤高度3.2m，煤层倾角选择30°，仰采角度16°，煤层平均埋深450m，简化的耦合数学模型长×宽×高为300m×200m×200m，将数值计算模型简化为7个岩层的结构体进行研究。工作面推进方向沿X轴正方向，模型底部限制垂直移动，上部施加覆岩等效载荷，模型前后和侧面限制水平移动，采用大应变Mohr-Coulomb 屈服准则判断岩体的破坏。

图1　不同倾角情况垂直应力分布

煤体力学性质和支承压力分布特征是控制煤壁是否发生片帮的一对基本因素。为此，建立仰采坡度分别为10°，20°，30°的3个数值计算模型，模拟工作面不同仰斜角度对支承压力分布的影响，模拟结果如图1所示。根据计算结果，仰采综放工作面前方支承压力峰值点受煤层倾角的影响较为明显。选择工作面前方煤层底板上方7m 层面的支承压力分别绘制分布曲线并进行分析，如图 2所示。

图2　双坡度综放工作面前方支承压力分布曲线

由图2可知，当煤层倾角为10°时，该层面支承压力峰值点与煤壁的水平距离为8.3m；随着煤层仰角的增大，该距离逐渐减小；当煤层倾角增大到 30°时，支承压力峰值点距煤壁距离缩减至4.6m。由于该煤层抗压强度仅有4.28MPa，强度极低，在仰采角度增大时，虽然支承压力峰值有所降低，但由于峰值位置前移，作用在煤壁同一点上的支承压力反而增大，加剧了煤壁片帮的危险性。

2.2支护强度对煤壁支承压力的影响分析

分别模拟了大倾角双坡向综放仰采16°时0.2MPa，0.4MPa，0.6MPa，0.8MPa，1.0MPa，1.2MPa共6种支架支护强度条件下工作面前方煤壁的应力情况，模拟结果如图3所示。

根据模拟结果可知，随着支架支护强度的增大，支承压力峰值逐渐远离煤壁，支承压力峰值位置从支护强度0.2MPa时距煤壁6.5m增加到支护强度1.2MPa时的7.6m，支承压力峰值也由18.5MPa下降至17.2MPa，但下降幅度不大。对距煤壁5m处的支承压力进行采集，得知，在支护强度0.2MPa时，支承压力达到16.7MPa，支护强度0.8MPa时支承压力为12.3MPa，随着支护强度进一步升高，支承压力降幅减小。因此，支护强度的增加可以有效降低煤壁处支承压力，改善煤壁的受力环境，使压力峰值远离煤壁，能够降低煤壁片帮冒顶风险。

3煤壁片帮冒顶综合防治技术

3.1煤壁片帮冒顶特征及原因分析

图3　不同支护强度条件煤壁垂直应力

图4　顶煤垮落及端面冒顶形式示意

根据对相邻工作面回采工艺进行观测可知，顶煤端面片帮冒顶基本发生在支架梁端，呈圆弧状，周期来压期间工作面端头最大冒落高度达到2.5m。主要形式如图4所示。综合分析得出，3206综放面端部漏顶片帮的主要原因有：

(1)煤体强度低该煤层煤体坚固性系数仅0.43，现场观察冒落顶煤破碎，煤层结构松散，节理裂隙发育，端面顶煤发生剪切破坏，在煤体自重及顶板压力作用下，煤壁内产生横向的拉应力，但是软煤的横向及蠕动变形会释放或缓解由于压缩而产生的横向拉应力[9]，最终由于煤壁内的剪应力大于抗剪强度而发生剪切滑动破坏。

(2)超前压力作用在超前压力的作用下，顶煤已发生塑性破坏，而工作面ZF7200/18/35型液压支架顶梁结构为整体顶梁带伸缩梁结构，支架顶梁无法完全封闭顶煤，导致破碎顶煤自梁端和伸缩梁间的空隙泄露，进而快速扩展，导致大面积端冒和片帮。

(3)切顶线前移在大倾角仰采条件下，松散的顶煤易向采空区侧滑落，抽空支架上方的顶煤，加上放顶煤的共同作用，造成切顶线前移，顶板支承压力加大[10]，加剧了顶煤体松动破碎，造成支架前方易发生漏顶，诱发煤壁片帮。

3.2煤壁片帮冒顶综合防治技术

松散煤体煤壁发生剪切破坏，主要与煤体的顶板压力、抗剪强度、煤体性质有关。 针对大倾角双坡向工作面管理的难点，首先应保证支架的支护强度，做到及时支护；其次是减小煤壁压力，而后采用化学注浆加固等措施改变煤体性质、提高煤体抗剪强度。形成改善支架工况、优化工艺参数、煤体加固为一体的煤壁片帮综合防治技术，保证工作面安全回采。

3.2.1改善支架工况

当仰斜角大于12°时，工作面顶板的拉破坏及向采空区方向的下滑分力将给安全生产造成影响。因此，在这种条件下，确定合理的支架初撑力，有效控制工作面端面围岩稳定性是工作面安全顺利开采的重要保证。在此采用UDEC软件模拟了不同支架初撑力对仰采工作面围岩稳定性的影响，如图5所示。

图5　支架初撑力对工作面端面围岩稳定性的影响

根据模拟结果可知，随着支架初撑力由2474kN(0.4倍额定初撑力)逐渐增大至6184kN(额定初撑力)，工作面顶板下沉量由1150mm降至326mm，端面围岩冒顶显现得到明显改善。因此，对于大倾角仰采工作面，提高支架初撑力能够增强支架对端面围岩的控制能力，有效保证端面围岩的稳定性，降低冒顶风险。提高支架初撑力的途径主要包括提高泵站压力和供液时间，减少管路损耗，防止漏液，及时对支架进行二次注液，改善供液方式、加强支护质量监测等。

3.2.2工艺参数优化

(1)控制割煤高度割煤高度的增加会降低顶煤下位完整层厚度，影响顶煤的整体性，从而造成下位顶煤易发生破坏而冒顶，因此回采过程中严格控制机采高度不大于2.6m。

(2)加快工作面推进速度由于工作面前方煤壁在支承压力的作用下产生塑性变形破坏，其变形量随着时间的延长逐渐扩大，工作面长时间停产极易造成大范围片帮冒顶事故的发生，每天必须保证5个正规循环。

(3)控制放煤量、防止切顶线前移在放煤过程中，若顶板突然来压，顶煤出现指向采空区的强烈卸压运动[11]。过量放煤，容易导致卸载运动加剧，引起顶煤超前松动，切顶线前移，后柱载荷减小，支架“低头”，造成端面冒顶。

(4)带压跟机移架采煤机前滚筒割过2～3架时即伸出支架前梁或提前拉架控制顶板。在移架过程中，支架稍降，并带有一定的支护阻力，擦顶前移，限制顶煤体垂直位移，有利于防止顶煤顶板离层破坏，保持顶煤顶板的完整性，从而实现对顶煤顶板的控制。

3.2.3煤壁加固技术

工作面煤壁破碎时，多采用注浆加固技术提高煤体强度，控制煤壁片帮冒顶。注浆加固是采用一定的注浆压力将注浆材料输送或压入破碎煤岩体的裂隙或孔洞内，浆液进入岩石孔隙后将岩粒包住，或者浆膜胶体首先将煤岩颗粒粘结在一起，形成胶结体，然后再变成坚硬体[12]，可以有效保持煤岩体完整性，增强煤岩体自身的承载能力。

4现场片帮情况观测分析

实际回采过程中，工作面采取了上述片帮防治措施，有效减少了工作面煤壁片帮现象。在工作面回采期间，对现场实际片帮情况作如下实测统计，统计结果如图6所示。

由于该工作面回采期间，采取了较为有利的防片帮措施，且工作面推进速度较快，(观测期间工作面日推进度多在4.0m以上)，工作面煤壁片帮现象得到了较为明显地控制。统计分析可知，回采期间工作面片帮现象并不明显，仅局部出现片帮现象，片帮位置主要集中在20号(30m)、90号(135m)支架区域，在距邻近采空区较远的下端头160m处亦有少数片帮现象。

图6　工作面煤壁片帮实测统计

5结论

(1)建立数值模型对不同仰采角度及不同支护强度条件下煤壁支承压力分布规律进行了分析。结果表明：当仰斜角度增大时，支承压力峰值有所降低，但由于峰值位置前移，作用在煤壁同一点上的支承压力反而增大，加剧了煤壁片帮的危险性。随着支护强度的增加，支承压力峰值逐渐远离煤壁，煤壁附近压力减小，受力环境得到改善，降低了煤壁片帮冒顶的风险。

(2)基于该工作面倾角大、仰角大、煤层厚、煤质软的特点，制定了改善支架工况、优化工艺参数、煤体加固为一体的煤壁片帮综合防治技术。具体措施包括：提高支架初撑力、加强支护质量监测、控制割煤高度、加快工作面推进速度、控制放煤量、带压移架、减小煤壁压力、采用煤体化学加固等技术。从现场观测结果来看，这些措施的应用，从根本上解决了煤壁片帮、端面冒顶问题，保证了工作面安全回采。

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[12]王恒斌.软煤孤岛面大倾角仰采矿压显现规律及煤壁加固技术研究[D].北京：中国矿业大学(北京)，2014.

[责任编辑：潘俊锋]

Control Technology of Rib Fall in Fully Mechanized Caving Mining

Technology in Dual Steeply Dipping Seam

YU Jian-hao1，2，SHEN Xiu-qi3,4，MAO De-bing1

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013，China；

2.Faculty of Resource & Safety Engineering，China University of Mining & Technology (Beijing)，Beijing 100083，China；

3.Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China；4.Shanxi Heerxinhe Coal Mining Co., Ltd.，Changzhi 046000，China)

Abstract：According to the occurrence characteristics of dual steeply dipping seam，this paper use the numerical simulation method to analysis the coal wall stability impact on abutment pressure distribution and support strength in front of the working face.Then analysis the main factors of side fall roof caving.Finally，according to the characteristics of coal wall caving and the numerical simulation results，this paper has been developed the comprehensive control technology which include improve support condition，optimization of process parameters and coal seam reinforcement.These techniques have achieved good application effect in the actual mining process，which can guarantee the safety of the working face.

Key words：large inclination；double slope；support pressure；rib fall of coal wall

[作者简介]于健浩(1983-)，男，吉林白山人，博士，助理研究员，主要从事煤矿安全高效开采技术、充填开采技术研究工作。

[基金项目]国家自然科学青年基金资助项目(51304115)；国家自然科学基金面上项目(51474128)；天地科技“公司研发”项目 (KJ-2013-TDKC-03)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.005

[收稿日期]2015-06-05

[中图分类号]TD823

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)06-0019-04