某矿松软煤层工作面片帮分析及防治技术

陆树飞

（煤炭工业石家庄设计研究院贵州分院）

高应力下松软煤层是导致煤壁片帮的一个重要条件。实践证明，煤体松软是复杂的地质条件，极易引发顶板冒落，煤壁片帮等动力灾害事故，对工作面正常回采造成严重威胁［1］。因此，对松软煤层工作面片帮分析及防治技术的研究很有必要。鉴于此，诸多学者开展了大量有效的煤壁片帮机理与治理技术的研究，取得了很多可以指导现场实践的成果。王家臣［2］提出了减缓煤壁压力和提高煤体抗剪强度是防治极软煤层煤壁片帮的主要技术途径；袁永等［3］基于实测煤壁片帮特征，建立楔形滑动体模型；付宝杰等［4］利用卸荷岩体力学理论、断裂力学理论建立了煤壁开挖卸荷效应模型，给出了楔形体结构失稳判据；华心祝等［5］基于理论分析和数值模拟，提出了俯斜开采，采用“注浆+桁架锚杆”联合支护技术。但是在煤炭资源实际生产过程中，煤壁片帮事故仍然时有发生，严重影响人身安全和工作面正常推进。因此，进一步开展煤壁片帮机理分析，并提出有效治理煤壁片帮措施，是大采高综采取得良好经济效益的根本保证。

1 工程背景

贵州某矿设计生产能力前期为1.2 Mt/a，后期经过技术改革，设计生产能力增加至2.6 Mt/a，服务年限接近50 a。该矿井总面积可达34 km2，其中走向长度可达12 km。矿井采用平硐式开拓和分区抽出式通风方式，并采用综合机械化走向长壁开采方法。井田煤深较大，煤体和岩体相对软弱，属于高应力软岩和松软煤层，在工作面开采过程中时常出现煤壁片帮情况，对煤炭资源的安全高效开采起到极大的影响作用。

2 工作面片帮力学原理

2.1 煤壁顶板应力分布特征

长臂工作面的开采方法采用的是综合机械化走向长壁开采，工作面为1 条垂直顶底板的的铅直煤壁，工作面的顶底板只要靠液压支架与前方煤壁支撑，后方采空区垮落矸石，矸石还没有被重新压实，因此支承压力极小，此时整个综采工作面形成“煤壁—支架—垮落矸石”支撑结构，导致在整个工作面煤壁与液压支架上方支承压力很大。如图1所示，由于煤层赋存于地壳深部，煤层上覆积压了很厚的岩体，因此工作面上覆岩层承载着来自上部深厚岩层与地表土层的载荷压力，进而引起采空区顶板垮落和工作面煤壁片帮，甚至会出现液压支架压架事故。在工作面的不同区域，煤壁的超前支承压力有所不同，工作面煤壁侧，从工作面到煤壁深处，煤壁内依次会出现破损区域、塑性区域以及弹性变形区域，直至煤壁深处的原岩应力区域，工作面后方出现的是液压支架支撑区以及采空区。在最接近液压支架的煤柱，其煤层结构在工作面回采过程中被完全破坏，一次这部分的煤壁几乎没有支承应力，整个工作面回采活动对工作面顶板应力平衡造成扰动，使得原有的应力平衡被打破，工作面顶板应力降低至0，载荷不断向煤壁方向传递，造成煤壁内部应力集中，对煤壁形成极大的破坏作用。由于煤层较深，煤体应力较大，煤层与岩体较为松软，容易破裂，很难承载分布不均匀的载荷，因此，通常会出现工作面煤壁片帮事故。

2.2 煤壁片帮形态分析

工作面煤壁片帮主要与开采深度、开采方式、工作面布置、采厚、液压支架工作阻力、回采速度，煤岩体物理力学参数（黏聚力、内摩擦角等）以及回采扰动强度等因素有关，这些因素都会引起煤壁内引力载荷传递；打破原有的应力环境，造成煤壁内应力分布不均匀。在覆岩与煤体重力作用下，松软煤壁一侧破裂后，沿着采空区方向存在相应的弹性能，这会促使次生节理与裂隙的进一步发育，进而引发煤壁片帮现象。煤壁片帮形式主要包括拉裂片帮和剪切片帮2 种形式，其中剪切片帮常见形式为重力滑落式，拉裂片帮主要包括压剪式与劈裂式2 种形式，工作面煤壁的片帮形式具体见图2。

通常情况下，当开采煤层煤质硬度较大时，煤壁主要发生拉裂片帮。发生拉裂破坏时煤层的抗拉强度满足下式：

式中，Rt为煤的抗拉强度，MPa；p为顶板对煤体的压力，MPa；K为应力系数；H为采高，m。

当开采煤层煤质硬度较小时，煤壁主要发生剪切片帮，这是由于煤体较为软弱，煤壁在剪切面上产生的剪切力大于或者等于抗剪强度，进而导致剪切片帮的发生。煤壁发生剪切片帮时，煤层的抗拉强度满足以下条件：

式中，S为剪切力，N；D为抗剪强度，MPa；h为剪切破坏高度，m；C为煤层黏聚力，MPa；N为剪切面法向应力，N；φ为煤层内摩擦角，（°）；θ为剪切面与煤壁之间的角度，（°）。

3 工作面片帮防治技术

3.1 片帮防治措施

工作面采高设计不合理，支架支撑强度与稳定性不够，煤壁煤体岩性太软以及工作面推进太慢等是造成工作面煤壁片帮的主要原因。为了有效解决煤壁片帮问题，防治煤壁片帮灾害发生，应当以工作面采高、回采速度、液压支架性能以及煤体强度作为切入点，从多方面改善诱发煤壁片帮的条件，达到遏制松软煤层煤壁片帮的目的。煤壁片帮具体防治技术如图3所示。

通过实践可以发现，采高越大，煤壁片帮可能性和片帮的剧烈程度就越大，尤其是松软煤层在大采高条件下更容易发生片帮。因此，设计合理的回采高度，能够有效控制顶板下沉并能减少煤壁片帮发生的可能与程度。①采煤工作面顶板重力主要靠煤壁与液压支架支撑，煤壁上方压力过大，煤壁的支撑能力较弱时，就会发生煤壁片帮现象。因此，增加液压支架工作阻力和稳定性，有效分担煤壁支承应力，可以缓解煤壁片帮事故。②深部松软煤体在受到高应力作用时极易发生破裂与变形，在煤壁处则主要表现为煤壁片帮的形式。煤体松软就存在一定的蠕变效应，煤壁裸露的时间越长，受蠕变影响作用就越大，从而导致煤壁片帮的可能性增加。所以，提高采煤机工作效率，增加工作面回采速度，可减少煤壁裸露的时间，降低松软煤壁发生蠕变的时间，进而减小煤壁片帮。③松软煤层实施以注浆为核心的煤体加固措施，可有效改善煤岩体力学性能，使得煤体硬度增加，显著提高松软煤体抗拉抗压以及抗剪强度。结合实际地质条件，分析由煤质物化参数引起的煤壁片帮内在原因，统计片帮主要发生的区域，设计合理的煤体注浆加固方案：在片帮频发区域较为密集地打钻注浆，在其他位置减小钻孔密度，具体钻孔深度为8 m，钻孔排距最密集处为2 m，采用3 MPa 注浆压力，向钻孔中注射马丽散加固剂。松软煤层煤壁片帮防治措施中，最有效、最常用的方法是煤壁注浆加固技术，通常情况下，煤层高度、回采速度以及液压支架性能很难改变，因此，使用煤壁注浆技术具有高效与便捷的优势。

3.2 煤壁注浆技术及效果

对工作面煤壁实施注浆加固处理，然后统计工作面推进100 m 不同区段的煤壁片帮次数，并与注浆前的数据进行对比，分析煤壁注浆加固前后煤壁片帮防治效果。

由图4 可以看出，在采取煤壁片帮防治措施前，片帮主要发生在工作面中央，并沿着工作面两侧逐渐减小，而且煤壁片帮次数频繁，每20个支架之间最高可发生9 次煤壁片帮事件，在工作面最边上的20个支架之间至少也要发生2 次片帮事件。在采取煤壁片帮防治措施之后，片帮主要发生在工作面中央偏向运输平巷一侧，而且发生片帮的次数显著减小，每20 个支架之间最多才发生2 次煤壁片帮事件，有些区域基本不发生片帮事件。这说明采取煤壁注浆加固的防治技术，有效降低了片帮发生的频次，大大提高开采效率和安全性。

4 结 论

（1）通过对煤壁周围应力分布特征和煤壁片帮形态的分析，得出了当开采煤层煤质硬度较大时，煤壁主要发生拉裂片帮，当开采煤层煤质硬度较小时，煤壁主要发生剪切片帮，并给予相应的理论推导。

（2）分析得出工作面采高，支架支撑强度，煤壁煤体岩性以及工作面推进速度等是造成工作面煤壁片帮的主要原因。综合多方因素，提出煤壁注浆加固技术进行煤壁片帮治理。通过现场实践证明了煤壁注浆加固技术能够有效降低片帮发生的频次。