孤岛综放工作面三角煤失稳机理及控制技术

赵会波，王 涛

(1.山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048000；2.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013)

综放工作面端头煤岩因受多种支承应力影响，同时支架-围岩应力状况复杂，容易发生破碎失稳[1，2]。对于孤岛综放工作面，端头围岩受两工作面多重支承应力共同作用，煤体及顶板较破碎不易支护[3]，影响孤岛工作面安全高效生产。通常矿井采用单体液压支柱加金属π型顶梁的联合支护方式或自行研制改进端头支架进行管理端头顶板[4]。这两种支护方式虽然在一定程度上能够控制顶板下沉，但都属于被动支护，围岩自身无法有效地起到支撑维护作用。

孤岛工作面的端头三角煤长期受相邻工作面采后侧向支承应力作用，以及本工作面采动应力叠加影响极易发生破碎失稳，导致端头顶板冒落，控顶面积增大，严重制约了工作面快速推进，同时存在安全隐患。因此，防止孤岛工作面端头三角煤出现失稳破坏，是保证其安全高效生产的关键。

通过对王坡矿 3210孤岛综放工作面端头三角煤应力分布规律分析，研究三角煤失稳、破坏机理，提出对三角煤进行原位加固的方法，有效控制了端头三角煤垮塌，保证综放工作面的安全高效生产。

1 生产地质条件及地质力学评估

1.1 工作面概况

王坡煤矿3210孤岛工作面开采3#煤，走向长度为2103m，工作面长度159m，埋深500～645m，工作面煤层平均厚度为4.9m，煤层稳定，全区可采，煤层倾角为2°～10°，平均为6°。3#煤层单轴抗压强度平均为15.5MPa，强度较高，但煤体内部节理裂隙极其发育，煤体发脆，受动压影响后裂隙易扩展产生扩容变形后强度显著降低，自身承载能力极弱。采用综放采煤工艺，采高2.9m，放顶煤高度2.0m，其相邻两侧分别布置有3208工作面和3212工作面，3208和3212工作面均已回采完毕，3210工作面巷道布置如图1所示，3210工作面两回采巷道与相邻3208和3210工作面采空区净煤柱尺寸均为20m。

图1 3210工作面巷道布置

1.2 地质力学参数测试

针对王坡煤矿3210孤岛工作面的地质条件，为了更全面了解其煤岩体的地质力学参数，在3210运输巷、回风巷已掘区段分别采用地质力学原位测试成套技术各布置1个测站进行了地应力、围岩强度测定[5，6]。

地应力测试结果见表1。所测区域应力场类型为σv>σH>σh，应力场为垂直应力占优势的中等应力值区域，地应力方向集中在北偏西24.2°～42.3°。

表1 3210工作面地应力测量结果

通过WQCZ-56型围岩强度测试装置对3210工作面顶帮煤岩体测试结果如图2所示，3210顶板0～10.0m为砂质泥岩与泥岩互层，抗压强度值在21～58MPa之间变化，平均抗压强度为44.83MPa；帮部煤体抗压强度值在9～20MPa，平均抗压强度为15.22MPa。

图2 3210工作面围岩强度测试结果

采用矿用电子钻孔窥视仪对4个钻孔的帮部煤体围岩结构进行了观察，其中部分钻孔的煤体结果见表2。

表2 顶板岩层抗压强度测试结果

地质力学参数测试结果表明，3210孤岛工作面地应力侧压系数为0.5，垂直应力的作用占主导，垂直应力对巷帮和工作面煤壁变形的影响作用大于顶板。而且根据测试结果可知3#煤抗压强度较高，但煤体内部原生节理裂隙发育，回采前期帮部煤体裂隙发育深度便达到了2.6～3.4m，后期受动压影响后裂隙进一步扩展，整体强度显著降低，自身承载能力很弱。因此需要采取措施加强回采期间对工作面煤壁的管控。

2 端头三角煤失稳破坏机理

2.1 工作面超前应力分析

在3210孤岛工作面超前位置安装KES型钻孔应力传感器对煤层内部应力进行了监测，得出了孤岛工作面超前支承应力影响范围以及强度，分析了采动过程中工作面侧帮煤壁矿压显现规律[7-9]。

钻孔应力计布置在3210运输巷靠工作面侧前方150m处，安装深度为8m，数据通过在线监测系统自动采集并存储数据，安排技术人员每周导出数据，直到工作面回采至测站位置。对采集的数据处理后，得出3210工作面超前支承应力曲线如图3所示。由图3可知，随着3210孤岛工作面的推进，在工作面煤壁前方形成了应力降低区、升高区和原岩应力区，超前支承应力的影响范围约为距工作面前方45m ，在该处垂直应力随着工作面推进距测站越来越近开始逐渐增加，应力值的增幅逐渐增大，当工作面回采至距测站12m左右区域，超前支承应力达到了峰值约为46.3MPa，工作面进一步回采，支承应力急剧减小。说明孤岛面超前支承应力影响范围为45m，峰值在距工作面煤壁前方约12m处，按照前期地应力测试结果中垂直应力15.19MPa进行计算，应力集中系数为3.04。与前期相邻3208工作面监测的超前支承应力影响范围35m相比提高了28.5%，应力集中系数2.38相比提高了27.7%，说明孤岛工作面端头三角煤受双向支承应力叠加影响应力集中范围更大，应力集中程度更高，更容易产生失稳、破坏，这与前期回采过程中经常产生的端头三角煤垮塌现象相吻合。

图3 工作面超前支承应力曲线

2.2 工作面侧煤帮围岩结构分析

结合3210工作面超前支承应力影响范围、端头三角煤塌落情况和工作面侧煤帮围岩变形程度布置了8个窥视孔，超前工作面5m处施工第一个钻孔，按照5m间距依次往外布置，钻孔深度8.0m，对工作面超前影响范围内工作面煤帮围岩裂隙发育情况进行探查。

窥视结果显示，钻孔离工作面距离越小，工作面侧煤帮内围岩的裂隙发育的深度范围更广，裂隙分布数量越多，且张开度大的裂隙占比越高。距工作面40m处煤帮钻孔的破坏深度达到2.8m，而距工作面5m处破坏深度达到了5.8m；其中工作面5m处煤帮内4.5m深度范围以内煤体十分破碎，裂隙分布数量多且张开度大，4.5～5.8m范围煤体裂隙分布数量少且张开度小。前期综采队技术人员观测显示3210工作面三角煤垮塌的范围主要为工作面煤帮往里3.8～4.8m，这与窥视显示煤帮破坏严重区域为4.5m深度范围的结果具有一致性。

2.3 孤岛面端头三角煤失稳破坏机理

3210孤岛面端头三角煤大变形，进而产生片帮、冒落的的主要原因是受相邻3208工作面和本工作面回采产生的双向超前支承应力叠加影响，工作面三角煤受到的垂直应力集中程度很高。3#煤内部原生节理裂隙发育，煤体发脆，双向采动影响后工作面三角煤受超高应力反复加载、挤压，围岩内原生裂隙二次扩展和新生裂隙的发育，致使围岩残余强度急剧弱化；在垂直应力作用下，三角煤内产生了横向拉应力和剪应力，当三角区煤体受到的横向拉应力超过其抗拉强度或剪应力超过其抗剪强度时，端头三角煤发生拉裂破坏、剪切滑动破坏和拉裂剪切滑动复合破坏[10-13]。

3 端头三角煤支护技术及参数

3.1 三角煤变形破坏控制原理

孤岛面工作面端头处三角煤受双向叠加超前集中程度很高的垂直应力作用产生拉剪破坏，造成端头区三角煤片帮、冒落。因此，采用卸压措施降低端头顶板及三角煤的垂直应力峰值或对端头三角煤进行支护加固是提高其稳定性，消除或减少拉剪变形、破坏的有效手段。

采用放炮或者水力压裂卸压的方法是降低工作面顶板压力的有效手段，但目前研究成果对卸压的机理仍难以完全解释，而且放炮卸压爆破深度有限，在高瓦斯矿井存在安全风险，水力压裂卸压无法真正达到定向等因素，导致卸压效果存在不确定性，限制了其应用，加之3210工作面已回采错过了最佳的卸压时机。根据前述窥视结果可知，孤岛面端头区三角煤破坏其实质是煤体内原生裂隙二次扩展和新裂隙发育，针对端头区破碎三角煤进行注浆原位加固是控制其变形破坏最有效的方法。

通过外部压力将浆液注入煤岩体，凝固后形成结石体充填裂隙，恢复碎裂煤岩体完整性，显著提高破碎煤体的粘聚力，阻止围岩扩容性破坏向深部发展；此外浆液凝固后在破碎围岩内部形成了明显的网状结构，进一步提高了破碎围岩完整性，使煤岩体整体强度进一步提高[14-18]。

3.2 三角煤支护技术及参数

由于孤岛面推进速度快，端头三角煤破碎时间短，采用凝固速度慢的水泥基注浆材料进行加固效果不佳，因此对于破碎的三角煤体应该寻求渗透性高、固结速度快、粘结力强和固结体强度高的加固材料。天地加固101为低发泡中高强度聚氨酯双组份化学浆液，无毒性且阻燃，渗透能力强；用于破碎围岩加固时，可注性强。在提高破碎围岩完整性的同时，结石体强度高，抗变形能力大，对接触体具有极强的粘合作用。加固后能促使围岩获得较高抗变形能力，防止围岩受外载作用造成的粘接面二次开裂，采用其进行加固三角煤体能够起到快速加固的良好效果。

超前工作面40m在3210运输巷工作面侧煤帮布置钻孔，化学注浆孔布置如图4所示，孔径∅44mm，深度8.0m，三花布置，排距3.0m，间距为2.0m，采用自胀式封孔器封孔，封孔器里段接导流花管，外段接注浆管，封孔深度4.0m，注浆料为双组份，体积比1∶1，注浆压力6～8MPa，当达到注浆压力，并稳压2min以上停止注浆，单孔最大注浆量小于150kg。

图4 化学注浆孔布置(mm)

4 现场工业性试验

针对孤岛工作面端头区三角煤失稳、破坏机理及控制技术的研究，将天地加固101快速注浆方案应用在王坡矿3210工作面运输巷剩余1170m长巷道段，进行了工业性试验，并进行了加固效果检验。

4.1 充填效果

对注浆后端头区三角煤充填效果进行了观测，充填效果如图5所示。结果显示注浆后浆液结石体很好的充填了三角区破碎煤体内部裂隙，极大的恢复其完整性，而且化学浆在破碎围岩内部形成了明显的网状结构，三角煤整体稳定性达到较为理想状态。

4.2 工作面推进速度

对注浆前后3210工作面月推进度进行了统计分析，如图6所示。4月份之前未进行注浆加固除去因春节假期影响的2月份，4个月平均工作面推进速度为84.6m/月，4月份进行注浆加固后5个月的平均推进速度为130.7m/月，工作面的推进速度提高了54.5%，说明注浆加固有效控制了端头三角区的煤体变形、破坏，极大的提高了工作面的回采效率。

图6 充填效果

图6 3210工作面回采月进尺

5 结 论

1)3210孤岛工作面超前支承应力影响范围为 45m，其中剧烈影响区为工作面前方12m，峰值为46.3MPa，应力集中系数为3.04。

2)孤岛工作面端头三角煤失稳破坏机理为受相邻工作面和本工作面回采产生的双向超前支承应力叠加影响，工作面三角煤受到的垂直应力集中程度很高，在高水平垂直应力作用下，三角煤内产生了横向拉应力和剪应力，当三角区煤体受到的横向拉应力超过其抗拉强度或剪应力超过其抗剪强度时，端头三角煤发生拉剪破坏，形成片帮、冒落。

3)提出超前工作面40m对孤岛工作面端头区三角煤进行化学注浆加固，能够很好的充填三角区破碎煤体内部裂隙，极大的恢复其完整性，显著提高破碎煤体的粘聚力，同时化学浆在破碎煤体内部形成了明显的网状结构，很好的确保了工作面三角煤的稳定性。

4)通过对3210工作面现场工业性试验表明，采用天地加固101维护工作面端头区三角煤，达到了防止三角煤片帮、冒落的有益效果，有利于孤岛面的高产高效。