刘海龙

(山西汾西矿业集团柳湾煤矿，山西 孝义 032300)

引 言

近年来，随着综采装备技术的不断发展进步，大采高综采工艺在我国各大矿区得到广泛应用。然而，大采高工作面机采高度的增大必然造成工作面煤壁临空面积增大，尤其是对于仰采工作面，在矿山压力作用下煤壁片帮机率加大，进而可能引发采场端面大面积冒顶，严重威胁矿井安全生产，故大采高仰采工作面煤壁片帮控制是亟待解决的关键技术难题之一。国内外学者已对工作面煤壁片帮机理及防治技术做了大量的研究工作，而针对大采高仰采工作面煤壁片帮的研究还相对较少。本文就针对某矿2612大采高仰采工作面的煤壁片帮机理进行研究，并制定针对性的技术控制措施及管理方案。

1 大采高仰采煤壁片帮影响因素分析

宋振骐院士重点研究了不同开采及地质参数对采场的影响规律，定性地揭示了采高、采深和煤体强度对煤壁片帮的作用关系[1]；谢广祥教授基于典型开采地质条件，利用多种先进的研究手段，从采场围岩控制、瓦斯治理、开采参数优化等方面进行研究，揭示出各因素与片帮的内在关系，提出了有效控制措施[2]；王家臣教授深入剖析了极软厚煤层片帮特征，并提出了不同的判别标准，着重探讨了不同主控因素影响下的片帮控制技术[3]；方新秋教授对软煤综放开采的冒顶片帮进行长期观测，统一综放顶煤、高位承载结构等因素创建模型，对煤壁片帮的过程进行详细阐述，创新性的提出煤壁最小临界稳定高度的概念，用以指导片帮控制参数的制定[4]。煤科总院尹希文等利用压杆理论研究煤壁片帮诱发过程，发现煤壁中上部是较容易发生片帮的位置，半煤壁片帮和整个煤壁片帮是大采高综采面的两种主要片帮形式。对于煤壁片帮的控制措施，本文则着重强调及时移架并重视护帮板的作用，合理提高支架的初撑力和工作阻力[5]。

现场矿压观测发现，煤壁片帮发生多为局部片帮，工作面大范围片帮情况比较少见。其局部片帮原因主要有两个方面，顶板压力作用和煤壁煤体自重。其破坏形式包括拉破坏及剪破坏两种主要形式。工作面仰采时，工作面端面煤岩体在自重和仰角的影响下，会有一个指向采空区的分力，这个分力的作用会加剧端面煤岩体的裂隙发育和碎裂，对端面平衡结构的形成不利，同时，破碎后的直接顶块体向采空区移动，支架顶部的顶板完整性受到破坏，不利于支架的接顶和支撑效能的发挥，进而影响到对顶板及煤壁的支护，使煤壁上方的煤体受拉或受剪而从前方煤体中脱落，发展为煤壁片帮[6]。煤壁片帮影响因素包括夹矸影响、采高影响、顶板来压影响、支架支护效果和状态影响等。

2 基于数值模拟的片帮机理研究

本次数值模拟使用UDEC离散元数值模拟软件，根据2612大采高仰采工作面的具体地质参数及围岩条件参数建立数值模型。本矿井煤层为倾斜煤层，在对现场实际地质生产状况进行简化和抽象的基础上，设计数值模拟模型为水平模型，尽量规避无关因素的影响，本文的模拟计算中，煤岩体和节理的物理、几何参数是在现场的原岩参数的基础上确定的，设计的模型架构及边界条件，如图1所示。

图1 数值模型建立及边界条件示意图

分别设计对应采高为2 m、3 m、4 m、5 m、6 m的5个模型，其他条件一致。布置位移测线模拟并记录煤壁片帮深度，作煤壁片帮深度与采高的关系曲线，如图2所示。得出工作面煤壁片帮深度与采高增加呈正相关性，且采高超过4 m之后，片帮深度增加的速率提高，这也证明了常规情况下大采高综采的最大采高不超过4 m的原因，如果采高超过4 m，煤壁片帮的概率会加速增大，需要采取针对性的控制措施。

图2 煤壁片帮深度与采高关系曲线

同理，设计数值模拟方案分别模拟分析液压支架的工作阻力及水平支护阻力、工作面赋存深度、煤体内摩擦角等参数对煤壁片帮的影响情况。得出随着液压支架工作阻力及指向煤壁水平力的增大，煤壁片帮程度减小，但当支护力增大到一定程度后，煤壁片帮程度基本不再变化，说明加强支护力及指向煤壁的支护有利于煤壁控制，但支架工作阻力不是越大越好，而是需要有一个合理值，这样既能保证有效支护，又能减少装备投入及成本浪费；此外煤层赋存深度的增大，造成工作面矿山压力显现的加剧，同样不利于煤壁片帮的控制；而对煤体内摩擦角的模拟研究，随着内摩擦角增大，煤壁片帮深度及程度减小，说明可通过注浆等方式改善煤体特征，进行煤壁片帮的控制。

3 端面煤岩体综合控制方案

对于大采高仰采工作面的端面煤岩体控制，按照前文对片帮影响因素及片帮机理的模拟分析，应着重做好以下端面煤岩体控制工作。确保液压支架的支护强度，重视支架前探梁及护帮板的水平支护力作用，防止支架接顶不实；确保液压支架的支护状态，保障支架的合理端面距不得超过0.3 m，同时对于顶梁台阶、支架错距、挤架咬架、顶梁俯仰角等参数进行合理控制；确保支架故障的及时排除，液压支架故障不可避免，应该加强日常的故障排查及检修，及时加以排除。

对于端面煤岩体破碎、遭受片帮冒顶较大威胁、过断层过老巷等局部区域，除了按照以上措施加强现场管理外，针对性的设计了煤壁注浆加固、端面长锚索加固等综合控制方案，如图3所示。对于端面顶板破碎易冒处打设长锚索，锚索规格Φ17.8mm，长度不低于5 000 mm，确保打入基本顶内，使用2支CK2530树脂锚固剂，确保悬吊及锚固效果。对于松散破碎的煤壁，尤其是处于来压前夕时，采取煤壁注浆加固措施，注浆孔设计长度4 500 mm，与水平方向呈30°斜向上打设，孔距3 000 mm，每推进5 m为一个注浆循环，一般情况下注浆一个循环即可，煤壁大范围破碎或来压期间可依据现场情况进行多循环注浆。

图3 端面煤岩体综合控制方案示意图

4 结语

2612大采高仰采工作面在整个回采期间高度重视端面煤岩体控制及支架围岩工况的维护，在日常管理中强调支护强度的达标、支架几何位态的管理及液压支架的日常维护，对于局部区域及时采取打锚索、煤壁注浆等综合控制方案，在后续的推采过程中未发生严重片帮冒顶事故，保障了工作面的安全顺利生产。