厚煤层一次采全高煤壁失稳原因及控制技术.pdf

江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 厚煤层一次采全高煤壁失稳原因及控制技术 陈 宁 （晋煤集团成庄矿生产部，山西晋城048006） 摘要针对成庄煤矿四盘区层一次采全高煤壁失稳问题，对观测统计数据进行分析，发现片帮主要表现形式分五种顶 部、腰部、顶底部、底部以及斜切片帮，据此采用对顶板超前预爆破和煤壁超前预加固技术来控制大采高煤壁稳定性，不仅 对煤壁失稳的控制取得了良好的效果，而且经济效益显著。 可为相似条件下的厚煤层一次采全高煤壁失稳控制提供借鉴。 关键词厚煤层；一次采全高；煤壁；失稳；控制 中图分类号TD823.253文献标识码B文章编号1006-2572（2020）02-0137-03 Causes and control techniques of instability of high coal wall in thick coal seam Chen ning （chengzhuang mine production department, jincheng coal group, jincheng, shanxi 048006 Abstract In chengzhuang coal mine a panel of four layers of a mining overall height of coal wall instability problems, analyze the observation data, found that piece of help five major types of the top, the waist, the bottom of the top, bottom and inclined slice help, applied to the roof and coal wall ahead of the blasting in advance pre-reinforcement technology to control the large mining height are broken coal wall stability, not only to the coal wall instability of control has obtained the good effect, and the economic benefit is remarkable. It can be used as a reference for the instability control of the whole high coal wall in the thick coal seam under similar conditions. Key words Thick coal seam; Gather all the height at once; The coal wall. Instability; control 随着我国中东部煤炭资源的逐步枯竭，煤炭开 发向西部、矿井开采向深部已成大势所趋，据统计 我国西北地区不仅储量约占现有全国煤炭可采总 量的60以上，且煤炭资源又多以厚煤层为主，约占 44。而现行厚煤层的主要开采方法为分层综合机 械化开采、综合机械化放顶煤开采以及厚煤层一次 采全高开采。 尽管分层开采、综放开采技术是现行 主流的开采方式， 但是分层开采搬家倒面次数多、 接续紧张，综放开采回收率低、混矸程度高、易发生 自燃等缺陷仍非常明显［1］，因此对于厚煤层开采而 言，一次采全厚的开采方式将因其回收率高、含矸 率低、推进速度快以及适应强等优点逐渐成为主流 开采工艺。 随着厚煤层一次采全高综采工艺的推广应用， 由于采高较高导致煤壁稳定性极差且存在严重的 片帮问题，这些问题使其推广应用被大大制约。 为 此，我国科技工作者开展了大量的研究工作，取得 了丰硕成果。 在围岩控制方面赵宏珠等［2］在调研大 量工程实践的基础上，对大采高工作面应力分布特 征及支架的阻力进行了分析研究，提出适合大采高 的支架选型方法；弓培林、靳钟铭等［3-4］人基于关键 层理论，计算了大采高采场的两带高度，提出随采 高增加，两带高度呈台阶状上升，每一个台阶代表 一个其控制作用的关键层。 在煤壁片帮方面郝海 金［5］运用数理统计的思想分析研究了大采高工作面 片帮发生的机理；闫少宏［6］运用力学解析对大采高 煤壁片帮机理进行了揭示；胡国伟通过数值模拟分 析研究了大采高工作面的应力分布规律及塑性区 137 江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 扩展情况。 成庄煤矿四盘区采用了一次采全高的生产工 艺， 在生产过程中出现了较为严重的片帮问题，严 重制约了安全高效生产。 本文以此对厚煤层一次采 全高煤壁失稳机理进行分析， 并提出合理防控技 术，以期保证矿井正常生产工作。 成庄煤矿四盘区煤层厚度在4.69～5.27m之 间，平均厚度4.92m。 煤层埋深620～950m，东南向 西北倾斜。 煤层含夹矸0～4层，一般为1层，厚0.20m 左右，结构较为简单。 顶板以中砂岩为主。 底板以泥 岩、砂质泥岩为主。 共揭露主要断层16条。 结合四盘 区煤层赋存特点，采用综合机械化一次采全高采煤 工艺。 3.1煤壁片帮特征分析 在工作面开采过程中，对四盘区煤壁进行了为 期30天的片帮观测及统计。 根据所观测情况，煤壁 发生片帮的形式主要包括顶部片帮、腰部片帮、顶 底部片帮、底部片帮以及煤壁斜切片帮等，见图1。 顶部片帮腰部片帮顶底部片帮底部片帮斜切片帮 图1一次采全高煤壁片帮形式 在观测期间， 煤壁片帮共计40次， 其中，顶 部、腰部片帮居多，共占75；深度多集中于0.8～ 2.3m， 占59.5高度多集中在1.9～2.5m，占 50.5。 由上可知， 回采期间煤壁的片帮问题较严 重，严重制约了安全高效生产。 3.2煤壁失稳机理分析 综合四盘区地质采矿条件及煤壁片帮特征及 失稳机理分析可知，大采高煤壁的失稳主要是受大 埋深、硬顶板及煤体裂隙发育所影响，因此，对于煤 壁的失稳机理分为应力控制型及结构控制型分述 如下 （1）应力控制型 工作面开采后，初始地应力被破坏，在煤壁前 方出现超前支承压力，且由于埋深较大，应力集中 现象显著，当煤体极限强度小于支承压力时，煤壁 处的煤体率先发生破坏，后逐步向深部发展。 受支 承压力挤压作用，煤壁上形成横向的拉应力，使煤 体发生拉破坏，产生大量横向裂隙并向深部不断扩 张，当裂隙扩展到煤体边界，煤壁处煤体发生剥离， 由于裂隙扩展方向存在不确定性，也就出现了前面 描述的几种片帮形式。 （2）结构控制型 受构造影响煤岩体中存在着大量结构面，使煤 体被切割而处在一种断续连接状态。 随着工作面开 采，煤体受工程扰动影响，某些块体间充填物质胶 结能力急剧下降， 造成块体沿结构面发生滑移，继 而导致煤体发生大面积破坏，煤壁出现了失稳。 根据四盘区大采高煤壁失稳机理分析可知，煤 壁的失稳主要是受应力与构造共同影响， 据此，针 对不同情况采取针对性防控措施，以期到达煤壁状 态稳定，实现高效安全生产。 4.1顶板超前预爆破技术 四盘区埋深较大、顶板坚硬，在开采过程中易 形成超前支承压力集中及大面积悬顶现象， 因此， 采用超前预爆破方法处理坚硬顶板能够有效防控 应力控制煤壁失稳。 采用工作面双侧布孔方案，在 轨道巷和皮带巷分别布置一组孔 （每组3个孔），分 别为基本顶切断孔、端头切断孔、基本顶辅助孔，具 体布置方案见图2。 同时，在工作面前方100m开掘 与巷道平行的钻孔巷道，并进行切断孔作业。 图2切断钻孔布置 注1-皮带巷基本顶切断孔；2-皮带巷端头切断孔；3- 轨道巷基本顶切断孔；4-轨道巷端头切断孔；5-皮带巷基 本顶巷辅孔；6-轨道巷基本顶辅助孔；7～14-初次放顶切断 孔。 138 江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 4.2煤壁超前预加固技术 针对煤壁受构造影响造成的破碎问题，采用超 前预加固，对破碎煤体进行注浆胶结，保证煤壁成 为一个强度较高的稳定结构体。 其加固孔布置主要 沿走向及倾向进行布置。 （1）走向加固孔 在煤壁处布置注浆孔采用双排错位形式，孔深 10m，孔径不小于Φ42mm，间距不小于3.5m（具 体布置需按实际进行适当调整）， 具体布置方案见 图3（a）。 （2）倾向加固孔 在皮带及轨道巷内沿倾向布置平行孔，对超前 煤壁5～10m区域注浆进行煤壁加固。 钻孔距顶板 距离为1.5～2m，间距不大于4m，封孔长度不小于 8m，孔径Φ不小于75mm，具体布置方案见图3（b）。 （a）沿走向 （b）沿倾向 图3注浆钻孔布置方案 根据现场地质采矿条件，沿支架依次在煤壁每 5架布设一个观测点，共记布设23个位移观测点，观 测周期为14日历日，以检验顶板超前预爆破技术与 煤壁超前预加固技术实施后对四盘区大采高煤壁 片帮的控制效果。 根据不同日期测得数据,对煤壁片帮的深度和高 度进行了分析。 发现在实施控制手段后，煤壁片帮情 况较未实施有较大改善，日平均深度为106mm，日平 均高度为90mm，其中，实施后的8、11、14日煤壁水平 移进量较大， 分别为170mm、190mm及205mm；11、 14日垂直位移量较大，分别为110mm及155mm。 在观测期间，出现周期来压的时间分别为1、5、 8、11、14日，平均来压步距为19m，因此与观测数据 相对应，发现实施控制措施后，仅在来压期间煤壁 出现了较大的水平及垂直位移变形，但远小于未实 施前。 由此可知实施顶板超前预爆破技术与煤壁超 前预加固技术措施能够有效解决厚煤层一次采全 高煤壁失稳片帮问题，不但能够较大程度地提高生 产效率，而且经济效益得到显著增加。 1）通过观测分析，发现成庄煤矿四盘区厚煤层 一次采全高煤壁失稳的主要形式为顶部、 腰部、顶 底部、底部以及斜切片帮；进一步分析得到煤壁失 稳发生机理主要受大埋深、硬顶板及煤体裂隙发育 所影响，煤壁的失稳机理被划分为应力及结构两种 控制类型。 2）根据对煤壁的失稳机理分析发现煤壁的失 稳受应力与构造共同作用，因此提出综合运用对顶 板超前预爆破与煤壁超前预加固技术来实现对大 采高煤壁稳定性进行控制，取得了较好片帮控制效 果，经济效益也较显著。 参考文献 ［1］ 孟超.大倾角大采高工作面煤壁失稳机理及控制 ［D］.中国矿业大学，2013. ［2］ 赵宏珠.大采高支架的使用及参数研究［J］.煤炭学报， 1991，16（1）32-38. ［3］ 弓培林，靳钟铭.大采高采场覆岩结构特征及运动规律 研究［J］.煤炭学报，2004（1）7-11. ［4］ 靳钟铭.放顶煤开采理论与技术［M］.北京煤炭工业出 版社，200167-71. ［5］ 郝海金，吴健，张勇.大采高开采上位岩层平衡结 构及其对采场矿压的影响［J］.煤炭学报，2004，32（2） 137-141. ［6］ 闫少宏.大采高综放开采煤壁片帮冒顶机理与控制途 径研究［J］.煤矿开采，2008，13（4）5-8. ［7］ 胡国伟，靳钟铭.基于模拟的大采高采场支承压力分布 规律研究［J］.山西煤炭，2006，26（6）10-12. 作者简介陈宁（1981-），男，2015年7月毕业于辽宁科技 大学采矿工程专业，本科学历，采煤助理工程师，现任晋城 蓝焰煤业股份有限公司成庄矿生产技术部业务员。 收稿日期2019-10-21编 辑岑代全 139