掘进巷道煤壁片帮机理分析及控制技术研究

王靖超

（晋能控股煤业集团寺河煤矿，山西 晋城 048000）

在我国煤炭资源中厚煤层的总赋存量超过40%，根据厚煤层资源的开采要求，对回采系统进行开发时，煤层厚度要高于沿底掘进成巷的回风顺槽和工作面运输的高度，煤层通常在这种巷道的两帮和顶板上，在掘进工作中，因为围岩稳定性非常差，再加上煤层应力较为集中，强度不高等原因，巷道掘进头片帮现象由此产生，这种现象不仅对掘进工作中的衔接问题有很大影响，还会对掘矿的速度有严重影响，更甚者会给矿井的生产效率和安全问题带来极大隐患。对于以上隐患，利用理论力学原理，学者韩玉鉴[1]对掘进工作面的煤壁受力做了研究，后提出了将煤体的抗剪强度和内聚力不断提升，并且改变煤体的力学性能是掘进工作面煤壁片帮的最佳途径，经过多次力学实验证明，煤体的抗剪强度可以通过提升煤体含水率来有效地进行改变，该实验对控制煤壁片帮有很大遏制作用。在掘进工作中对于煤壁前方0～10 m处无差别、且大范围的注水，对煤壁注水从煤的力学性能上虽然得到了片面的改变，也带来了一定的效果，但从根本上讲，这种方法不光操作过程极为繁琐，相应的成本也将会非常高昂，很难在现实中推广开。另一位学者薛明[2]通过对FLAC3D数值模拟的利用，研究了在掘进工作中，对煤壁稳定性产生影响的相关因素，如巷道的支护强度、断面尺寸、围岩性质、巷道垂深和巷道位置等因素，并且对在掘进工作中出现迎面封护的问题提出了相应的处理措施。现有的研究大多处于数值模拟与理论推导方面，虽然从实验中得到了很多有效的结论，但是对于煤矿井下的实际操作仍存在局限性，只是给出一些解决问题的方向。

1 工程概况

晋能控股煤业集团某矿位于71号采区的7106运巷，3号煤层为该采区的核心采集目标，7106运巷的地理位置，东边是井田边界，南面是没有采集的区域，西面紧连71号采区的皮带巷，北面则是保护煤柱。在这个工作区域中，煤层的相对厚度起伏不大，煤层下部夹矸不高于0.05 m，煤层的倾斜角度不超过1°～7°，煤层厚度大约在7.25 m；其中，细粒砂岩平均厚度不超过3.21 m，老底为厚度可达2.7～3.9 m；粗沙岩平均厚度不超过2.81 m，老顶为厚度可达2.3～3.5 m；炭质泥岩的平均厚度不超过3.12 m，直接底为厚度可达2.4～3.8 m；沙质泥岩的平均厚度不超过5.15 m，直接顶为厚度可达3.5～6.8 m。通过对三维地震勘探以及附近巷道情况的相关地质数据的分析，在此施工范围内，不存在地质构造方面的隐患。从整体上看，这一面是一种单斜构造，依据山体由西向东倾斜。从总体上看它的条件都尤为简单。

7106运巷掘进路线是沿3号一煤层底板开始，初始的设计总长度为1 478 m，该巷道的断面为矩形，净断面积为16.00 m2，实际的断面积为17.16 m2，净高为3.2 m，实际的掘进高度为3.3 m，净宽为5.0 m，实际的掘进宽度为5.2 m，全煤巷道是顺槽，顺槽的主要任务是7106工作面工作人员通行任务和煤流运输的进出任务。

在掘进时，顺槽使用的支护方式是用3寸的钢管两根，每根长5 m，来作为前探梁，接着需要把巷道上的第二根和第五根锚杆，使用4个前探梁来加以固定，临时护顶需要使用一块优质松木板，它的长可以是4 000 m，宽是150 m，厚是50 m，而绞顶则需要一个大的木楔，规格是长500 m，宽200 m，高150 m。使用一根2.5寸的钢管，它的长是700 m，在这根钢管的一端焊接一块钢板，钢板的厚度为8 mm；使用一根1寸的钢管，长是1.5 m；在距离端头的两个位置用圆钢焊接直径为10mm的挂钩，分别是300mm和1400mm；在距离端头40 mm的地方打一个联接孔，它的直径是16 mm；焊制边框则需要用尺寸是1寸的钢管，边框中需要焊接菱形网片，它的规格为长35 mm，宽为1 000 mm，加固边框则需要使用两个钢管焊接在边框中部，两个钢管的间距为1.0 m。尽管如此，在工作面工作时片帮现象依旧多次出现。

2 掘进工作面煤壁片帮机理分析

在跟踪调查掘进工作面工作期间，煤壁片帮现象曾多次出现过，如图1所示素描图为煤壁片帮。在掘进推进方向上，工作面片帮高度不超过2.7 m，深度不超过0.7 m，而由此片帮产生的冒顶深度不超过1.2 m，这样会给掘进工作面的安全高效工作带来很大的影响。

图1 掘进工作面煤壁片帮素描图

在工作面掘进时，片帮现象依旧多次发生，究其主要原因，媒体的极限强度远远低于应力的集中程度，而工作面在掘进时，就会使得煤体前方应力失去原有的平衡，导致煤壁自由端应力聚集在一起，从而发生片帮。

将材料中的力学知识运用到实验中，一是集中煤壁前方的应力qh，通过开采扰动来完成；二是煤体本身和顶板之间通过摩擦作用产生的摩擦力Ff。以上两种情况是煤壁在不同受力中需要完成的两种模型。

1）如图2所示，如果qh＞Ff，可知，将煤壁受力加以简化，成为悬臂梁结构式的“一边自山，一边固支”，此时弯矩用M表示，顶板压力则用p来表示。结合材料力学的知识，梁的最大挠度会出现在悬臂梁的自由端。也就是顶板和工作面煤层相接触的面，则最大扰度。其中：q为煤壁前方的最大载荷，kN/m；I为惯性矩，m4；E为弹性模量，kN/m2；h为工作面煤壁高度，m。

图2 煤壁受力模型

2）如图2所示，当qh＜Ff时，在这种情况下，可以进行煤壁受力向梁模型的转化，以“一边固支一边简支”的形式，根据材料力学的理论知识可得，这种梁在顶板下端0.42h处的挠度达到最大，其值为Wmax=

3 掘进工作面煤壁防片帮措施

3.1 浅孔注水

根据相关研究可以发现，在煤壁自由端处于顶层的位置分布有大断面掘进工作面片帮，因此，应该要对在自由端浅层的煤层进行人为操作，提升煤层的抗剪强度和内聚力，能够彻底的避免煤层进行连续片帮。采用浅孔注水片帮的方式，能够有效地对煤壁片帮进行调控，此外，还能够使掘进工作面注水作业的复杂程度明显地减小，防止对掘进作业的大量阻碍，降低工作面逸尘，减轻员工的劳动强度。如图3所示为钻孔的布置图，在进行原临时支护前，应该将潜孔注水操作阶段进行增加，钻孔在巷道外表面线向内0.5 m，在间距为1.0 m处分布有8个钻孔的位置，孔的直径为42 mm，孔的深度为4.0 m，倾斜角为20°，向上倾斜，注水压力为3～5 MPa，实践超过30 min，一个孔的注水量要达到2 500 L以上，直到孔内有大量的水溢出为止。

图3 掘进工作面钻孔布置图（单位：mm）

3.2 效果检测

在对7106运巷进行掘进的操作中，没有找出煤壁片帮事故，此外，在对煤壁0～2 m之间通过钻孔进行观看，在煤壁0～2 m之间煤体的性质还是比较好，从而使用浅孔注水的措施能够有效地提高煤壁的稳定性。

4 结论

1）本文分析的运巷是大断面全煤巷道，软岩分布在巷道围岩。在进行巷道作业时，在应力二次分布的影响下，以及掘进过程的阻碍下，容易出现煤壁片帮的现象，煤壁片帮主要有上部、中上部、混合冒顶片帮三种。

2）通过“梁”相关理论的研究，能够发现掘进工作面主要片帮的位置分布在顶板下端和煤壁上面，在0.42倍的巷高处，该处的位置为避免煤壁片帮的主要点。

3）针对避免煤壁片帮的相关问题，采用“浅孔注水”措施解决，并列出主要的技术参数，通过结合实际运用，发现该方案可行度高，效果良好。