深部大采高超长工作面煤壁片帮机理及控制技术

王传兵，李家卓 ，李 群，侯俊领

(1.淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学，深部煤矿采动响应与灾害防控安徽省重点实验室，安徽 淮南 232001)

深部大采高超长工作面煤壁片帮机理及控制技术

王传兵1，李家卓2，李 群1，侯俊领1

(1.淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学，深部煤矿采动响应与灾害防控安徽省重点实验室，安徽 淮南 232001)

采用实验室试验、数值计算和理论分析综合研究方法，研究了深部大采高超长工作面煤壁片帮机理及控制技术，研究表明：试验工作面煤为脆性煤体，原始含水率为1.6%，煤层含水率达到5.0%左右强度最高；采高一定时，煤层强度越低，煤壁水平变形越大，越容易发生片帮；煤壁位移最大处为煤壁中上部，采高5m时，距煤层底板2～4m容易发生片帮。现场采用两巷超前深孔煤层注水、两巷超前深孔+工作面煤壁浅孔超前预注浆、调节支架安全阀差异开启、选择大工阻支架等关键技术，防片帮、防尘效果较好。研究成果为深部大采高超长工作面安全高效开采提供理论指导和技术支撑。

深部开采；大采高综采；超长工作面；煤壁片帮机理；控制技术

大采高工作面煤壁片帮易引发端面漏冒事故，漏冒范围扩大的同时，液压支架易出现歪架、咬架甚至倒架事故，严重制约工作面安全高效生产。长期以来，国、内外众多学者针对大采高工作面煤壁片帮机理及顶板控制技术进行了大量深入的研究，王家臣等开展了极软厚煤层煤壁片帮与防治机理研究，认为通过采取缓和工作面煤壁压力和提高煤体抗剪强度可有效防治软煤片帮问题[1]；刘长友等开展了极软厚煤层大采高台阶式综采端面煤岩稳定性控制研究，认为大采高松软煤壁片帮主要以剪切滑移引起的三角斜面片帮为主，认为采用台阶式割煤工艺，能有效改善工作面煤壁的应力状态，有利于煤壁的稳定[2]；尹希文等开展了大采高综采面煤壁片帮特征分析与应用研究，建立了煤壁压杆模型，分析了煤壁的挠度等物理力学特征，认为工作面中、上部煤壁最易发生片帮[3]；靳俊恒等将劈裂后的煤壁简化为压杆，建立了煤壁片帮的突变模型，研究认为工作面片帮不仅与煤体的几何尺寸和力学性质有关，还与载荷大小和方式有关[4]；在大采高综采工作面片帮加剧机理分析及防治措施方面，牛艳奇开展了工作面开采煤壁的受力状态分析研究，提出了影响煤壁片帮的双因素敏感指标，分别为采高和煤体的内摩擦角，并给出了采高与煤壁破坏范围和所需护帮力的相关关系[5]；袁永等开展了“三软”大采高综采面煤壁稳定性及其控制研究，依据损伤力学理论，研究了大采高煤壁片帮的微观机理，采用“楔形体”稳定理论，研究了大采高煤壁片帮的宏观表征[6]；杨胜利等通过分析煤壁变形特征和柔性加固机理，提出了煤壁片帮防治柔性加固技术，为煤壁片帮防治提供了新思路[7]。

淮南矿区大部分煤层埋深大于600m，属于深部开采，淮南矿区的谢桥、张集矿等逐步应用大采高综采技术。文献[8]分析了深部超大采高综采所需的关键技术及可能面临的问题，指出深入研究矿压显现规律、煤壁稳定性控制技术、提高设备可靠性是实现深部超大采高综采技术需要解决的首要问题。本文以淮南矿业谢桥矿深部大采高超长工作面为依托，对深部大采高超长工作面煤壁片帮机理及控制技术进行探讨。

1 工作面概况

谢桥矿1242(3)工作面地面标高+19.1～+26.8m，工作面埋深约550～650m，其中工作面风巷底板标高为-524.3～-559.4m，机巷底板标高为-619.3～-657.4m。工作面倾斜长363m，走向回采长度2924m。工作面煤层厚度平均5.1m，煤层倾角平均15°。工作面直接顶为复合顶板，厚度0～12.2m，均厚8.4m，岩性为泥岩、砂质泥岩、13-2煤，工作面基本顶为细砂岩，厚度1.8～11.5m，平均厚度3.8m，工作面局部地点为基本顶直覆。实测13-1煤抗压强度19.2MPa，抗拉强度0.66MPa，弹性模量4.67GPa，泊松比0.36，黏聚力3.2MPa，内摩擦角38°。压拉比达到29，具有明显的脆性。工作面主要设备配套为ZZ13000/28/65D型电液控液压支架、JOY 7LS6C型采煤机、SGZ1000/3×1000型刮板输送机、SZZ1200/700型转载机、PCM375型破碎机、DSJ120/200/4×355型胶带输送机。

2 煤壁片帮机理分析

工作面采煤机割煤，煤壁逐渐暴露，煤壁稳定性受地质条件和具体开采技术条件等多种因素综合影响，煤壁具有逐渐暴露、无支护、大变形的特点。采用压杆理论分析顶板压力对片帮的影响，一端铰支、另一端固支的煤壁的侧向变形曲线为正弦半波，根据压杆力矩平衡方程M=Fp·ω-M0x/h，式中M为x截面形心的弯矩，N·m；Fp为煤壁所受垂直方向压力，kN；ω为煤壁挠度，m；M0为煤壁固定端力矩，kN·m；h为采高，m。经过分析可得在距工作面顶板0.35h处煤壁挠度ω最大，由于煤壁变形最大，因此最容易片帮。

图1 压杆模型示意

根据谢桥矿1242(3)工作面现场地质条件和开采技术条件，采用大型非线性三维数值计算软件FLAC3D软件进行煤壁水平位移数值模拟。工作面顶底板岩层及其厚度如表1所示。

表1 模拟采用的岩层及其厚度

三维计算模型走向方向240m，高度方向100m。模型4个侧面及底面均固定。模型上部施加500m厚岩层等效载荷。现场取芯、实验室测定煤岩层物理力学参数，没有测定数据的按岩性平均取值给定。模拟采用的物理力学参数如表2所示。

表2 数值模拟采用的参数

此次分析在割煤高度4，4.5，5和5.5m情况下，在煤层硬度系数2.5，2.0，1.5情况下的煤壁片帮情况，支架支护强度1.0MPa，煤壁片帮情况按水平位移情况分析。

数值模拟得到的煤壁水平位移图(煤层硬度系数2.0、不同割煤高度)，如图2所示。

图2 煤层硬度系数2.0、不同割煤高度下工作面煤壁水平位移

各模拟方案下最终位移结果如图3所示。

图3 工作面煤壁位移曲线

分析可见，在采高一定的情况下，煤层强度越低，煤壁水平变形越大，越容易发生片帮。煤层硬度大于2.0时，各割煤高度条件下，煤壁位移量相对较小；煤层硬度小于2.0时，各割煤高度下，煤壁位移量均发生明显增大。

结合现场回采实践分析，大于0.1m位移量的区域实际容易出现片帮。各割煤高度下，煤层在硬度1.5时容易发生片帮，容易发生片帮的位置：割煤高度4m时，距煤层底板1.5～3m；割煤高度4.5m时，距煤层底板2～4m；割煤高度5m时，距煤层底板2～4m；割煤高度5.5m时，距煤层底板2～4.5m。

数值模拟分析表明，采高一定时，煤层强度越低，煤壁水平变形越大，越容易发生片帮，煤壁位移最大处为煤壁中上部，与压杆理论分析结论一致。各割煤高度下，煤层硬度系数降低至1.5及以下容易发生片帮，割煤高度5m时，距煤层底板2～4m容易发生片帮。

3 煤壁片帮控制技术

煤壁破坏主要有剪切破坏和拉伸破坏2种形式，易出现工作面上部劈裂式片帮、压剪滑落式和中部横拱式片帮3种现象。煤壁片帮与工作面采高、煤体自身脆性和强度、煤壁处顶板压力、围压等因素密切相关，可采取煤层注水提高煤体塑性、注浆提高煤体强度及提高液压支架顶梁及护帮板工作阻力等措施防止煤壁片帮。

3.1 两巷超前深孔煤层注水

对工作面煤层，按天然含水状态、自然吸水状态、强制吸水状态(饱和)等3种不同含水率情况下的煤体强度进行测试。测试表明煤层原始含水率为1.6%，随着含水率的提高，煤体抗压强度呈现先增加后降低的趋势，抗压强度从平均22.27MPa，提高至29.44MPa，后降低至13.93MPa，含水率达到5.0%左右效果最好。实际煤层注水时，与自然吸水状态下的试件状态类似，可提升煤体物理力学性质，增强煤体塑性，提高煤粒之间的摩擦力，提高煤体的强度和黏结力。

1242(3)工作面两巷采用已施工的顺层抽采钻孔对煤层进行注水，孔深为180m，当工作面采至距瓦斯抽采孔15m左右，拆除瓦斯抽采管路，并连接注水管路，封孔采用专用煤层注水封孔器。工作面采至距注水孔2个采煤步距时停止注水，回收注水管路，连接工作面前方瓦斯管路进行注水。注水压力为3～5MPa，根据煤体松软情况及时对注水压力进行调整。注水时间以煤壁渗水为准。注水水源为井下普通清水，注水泵选用BRW400/31.5增压泵。

3.2 断层破碎带超前注浆预加固

断层破碎带内，受构造应力影响，大采高工作面顶帮出现破坏，按采场大结构理论，采场由液压支架、煤壁、岩梁共同承载，煤壁失稳后岩梁易超前切落，发生滑落失稳，因此对破碎煤壁注浆加固可有效保障大结构的稳定，避免顶板事故的发生。浆液在泵压的作用下沿煤岩体裂隙渗透，充填在裂隙中，浆液固结后起到加固煤岩体作用，提高破碎煤岩体整体强度，发挥注浆网络骨架结构的作用。

在断层破碎带内沿构造走向超前施工顺层孔实施高压注浆，注浆压力10～12MPa左右，注浆材料采用P.O42.5 硅酸盐水泥，水灰比0.7～0.6∶1(重量)，打眼选用ZDY-3200S钻机配直径63.5mm螺旋钻杆，直径94mm钻头，采用聚胺脂药包将钻孔5～8m范围封堵。

面内揭露较破碎煤岩体，采用工作面浅孔注化学浆方式进行加固，开孔位置距底板2m左右，深8～10m左右“三花”浅孔，仰角4～6°，构造带内采取压茬注浆，加固中上部破碎松软煤岩体。

3.3 支架安全阀差异开启，保证支架合理工况

异常区大采高工作面围岩破碎，矿压显现剧烈，根据支架顶梁所受合力作用点的位置，调节前、后立柱安全阀开启，压力值，保证支架处于良好架形。如在合力作用点偏前条件下，前立柱压力大于后立柱，适当调小后立柱安全阀开启压力，有利于支架顶梁处于水平的状态，当顶板剧烈来压时，后立柱安全阀先开启，活柱下缩，为机道上方创造了足够空间，利于过机的需要，即使发生压架事故，也便于处理。

3.4 选择大工阻液压支架，保证支架初撑力

当支架初撑力较小时，工作面顶底板移近量较大，顶板压力前移，在超前压力作用下，煤壁破坏不断向煤体深部发展，煤壁出现大范围塑性区，承载能力大大降低。当工作面停采时间较长时，这种现象更加明显。在煤机割煤、拉移支架等影响下煤壁塑性区易发生端面顶煤破碎冒落，引起支承压力进一步向煤壁深部转移，塑性区范围进一步扩大，该范围煤机割煤、移架等因素影响再次造成煤壁片帮，形成恶性循环。

本工作面支架选用ZZ13000/28/65D支架，工作阻力13000kN，整体顶梁结构。该结构一般向上翘3～5°，在高初撑力作用下，支架能够有效承载顶板压力，缓和煤壁的压力，改善煤壁的应力状态。现场加强初撑力管理，支架初撑力不小于24MPa，采用KJ21矿山压力监测系统进行在线监测。

3.5 坚持带压擦顶移架、及时护帮

现场ZZ13000/28/65D综采支架采用整体顶梁带伸缩梁配二级护帮结构，支架伸缩梁行程1050mm，一级护帮高度1570mm，二级护帮高度1000mm，提供的最大护帮阻力为0.2MPa。及时护帮并保证护帮阻力是控制煤壁上部稳定、减弱中下部煤壁片帮的一个关键因素。工作面回采过程中滞后采煤机3～4架带压移架，超前采煤机滚筒不超过3架收护帮板，滞后割煤不得超过3架打开护帮板，片帮地点及时拉超前架管理。

4 现场应用效果

现场通过每天绘制地质报表，及时确定煤体破碎区域和制定相应防片帮措施。

1242(3)工作面倾向长度362.9m，工作面支架数为212架，观测期间为2014年9-11月共3个月，主要记录了几次较明显(片帮深度>200mm、片帮范围>2架)的片帮。

除了1次观测到20～30，60～70，185～190架发生较大片帮外，其余几次按先后顺序记录分别发生在130～140，68～83，35～40，160～165，26～30，75～77，175～185架，片帮深度一般为500～1000mm。从总体上看，发生较大片帮的次数不多，有1次对工作面的生产影响较大，较大的片帮使得片落的煤大量积压在刮板输送机上，导致刮板输送机启动困难，影响生产。

5 结 论

以淮南谢桥煤矿深部的1242(3)大采高综采工作面为工程背景，分析煤壁片帮机理和煤壁片帮控制技术，通过现场实测表明，效果良好。研究主要结论如下：

(1)实测13-1煤的物理力学性质，13-1煤为脆性煤体，测试表明煤层原始含水率为1.6%，煤层含水率达到5.0%左右强度最高。

(2)通过数值模拟分析表明，采高一定时，煤层强度越低，煤壁水平变形越大，越容易发生片帮，煤壁位移最大处为煤壁中上部，与压杆理论分析结论一致。各割煤高度下，煤层硬度系数降低至1.5及以下容易发生片帮，割煤高度5m时，距煤层底板2～4m容易发生片帮。

(3)依据理论分析成果，采用两巷超前深孔煤层注水、两巷超前深孔+工作面煤壁浅孔超前预注浆、调节支架安全阀差异开启、选择大工阻支架等有效措施，防片帮、防尘效果较好。

[1]王家臣.极软厚煤层煤壁片帮与防治机理[J].煤炭学报，2007，32(8)：785-788.

[2]刘长友，黄炳香，常兴民，等.极软厚煤层大采高台阶式综采端面煤岩稳定性控制研究[J].中国矿业大学学报，2008，37(6)：734-739.

[3]尹希文，闫少宏，安 宇.大采高综采面煤壁片帮特征分析与应用[J].采矿与安全工程学报，2008，25(2)：222-225.

[4]靳俊恒，孟祥瑞，高召宁.煤壁片帮失稳的尖点突变模型分析[J].矿业安全与环保，2011，38(5)：77-79，89.

[5]牛艳奇，陈树义，刘俊峰.大采高综采工作面片帮加剧机理分析及防治措施[J].煤炭科学技术，2010，38(7)：38-40.

[6]袁 永，屠世浩，马小涛，等.“三软”大采高综采面煤壁稳定性及其控制研究[J].采矿与安全工程学报，2012，29(1)：21-25.

[7]杨胜利，孔德中.大采高煤壁片帮防治柔性加固机理与应用[J].煤炭学报，2015，40(6)：1361-1367.

[8]惠本利.深部矿井厚煤层超大采高综采技术研究展望[J].煤炭科学技术，2014，42(4)：1-4.

[责任编辑：姜鹏飞]

新疆两矿区总体规划获批 合计资源量超80Gt

近日，从新疆自治区发改委了解到，新疆自治区和什托洛盖矿区总体规划和准东将军庙矿区总体规划已获国家发改委批准。

据了解，和什托洛盖矿区位于和布克赛尔县境内，面积约896km2，煤炭资源总量约12.5Gt，矿区共划分为14个井田、2个小型煤矿开采区和5个勘查区，规划煤炭产能30.3Mt/a，所产煤炭主要供应附近的煤化工和电厂项目，少量满足民用需求。

准东将军庙矿区主要位于奇台县境内，面积约1766km2，煤炭资源总量约68.7Gt，矿区划分为12个井田和1个勘查区，规划总规模为155Mt/a，所产煤炭主要供应附近工业园区内的煤化工和电厂项目。

新疆自治区发改委能源局煤电处副处长张寿平表示，这是国家实施煤炭去产能政策后，首次批复新疆煤炭矿区总体规划，对新疆科学有序开发煤炭资源具有重要指导意义。新疆自治区发改委将严格按照国家批复的煤炭矿区总体规划，组织矿区开发主体企业科学有序开发煤炭资源。

摘自：《煤炭信息》周刊2017.3.16

Principle and Control Technology of Coal Wall Spalling of Super Length Working Face with Large Mining Height in Deep

WANG Chuan-bin1，LI Jia-zhuo2，LI Qun1,HOU Jun-ling1

(1.Huainan Mine(Corporation) Co.，Ltd.，Huainan 232001，China；2.Anhui Province Key Laboratory of Deep Mine Mining Response and Disaster Prevention，Huainan 232001，China)

Principle and control technology of coal wall spalling of super length working face with large mining height in deep were studied with laboratory test，numerical simulation and theory analysis and so on.The results showed that coal of working face was brittle coal，original water ratio was 1.6%，and strength reached the maximal as coal seam water ratio reached 5.0%，when mining height was constant，coal wall horizontal deformation increased with coal seam strength decreased，and coal wall would appeared easily，and the maximal coal wall displacement amount appeared at middle and upward position，when mining height was 5m,coal wall spalling easily appeared at the position that to coal seam floor was 2～4m .And some key techniques like advanced coal seam water injection in two roadways of working face,advanced deep holes pre-grouting of two roadways and advanced shallow holes pre-grouting in working face coal wall，differential opening of support safety valve，and larger resistance support，coal wall spalling prevention and dust prevention effects were good.The results could referenced for similar situation.

mining in deep；fully mechanized mining with large mining height；super length working face，coal wall spalling principle，control technology

2016-10-08

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.015

国家自然科学基金资助项目(51504005)；深部煤矿采动响应与灾害防控安徽省重点实验室开放基金(KLDCMERDPC13103)；安徽理工大学博士基金；安徽理工大学青年教师科学研究基金重点项目(12859)

王传兵(1970-)，男，安徽濉溪人，工程硕士，高级工程师，现任淮南矿业集团设计院副院长，分管科研工作。

王传兵，李家卓，李 群，等.深部大采高超长工作面煤壁片帮机理及控制技术[J].煤矿开采，2017，22(2)：56-60.

TD353

A

1006-6225(2017)02-0056-05