大倾角大采高综采工作面煤壁非对称受载失稳特征.pdf

第 43 卷第 7 期煤 炭 学 报Vol. 43 No. 7 2018 年7 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJuly2018 罗生虎,伍永平,刘孔智,等. 大倾角大采高综采工作面煤壁非对称受载失稳特征J. 煤炭学报,2018,4371829-1836. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2018. 0134 LUO Shenghu,WU Yongping,LIU Kongzhi,et al. Asymmetric load and instability characteristics of coal wall at large mining height fully- mechanized face in steeply dipping seamJ. Journal of China Coal Society,2018,4371829-1836. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2018. 0134 大倾角大采高综采工作面煤壁非对称受载失稳特征 罗生虎1,2,伍永平2,3,刘孔智2,3,4,解盘石2,3,王红伟2,3 1. 西安科技大学 理学院,陕西 西安 710054; 2. 西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,陕西 西安 710054; 3. 西安科技 大学 能源学院,陕西 西安 710054; 4. 重庆能源贵州煤电有限公司,贵州 毕节 551700 摘 要煤壁片帮是大倾角厚煤层综采亟待解决的关键问题之一,以 2130 煤矿 25221 大倾角大采 高综采工作面为研究背景,采用理论分析、数值计算、物理相似材料模拟实验和现场监测相结合的 综合研究方法,系统研究了大倾角大采高综采工作面煤壁的受载与失稳特征。 结果表明,在大倾角 大采高煤层开采中,受采高增大影响,围岩运动的幅度和剧烈程度较一般采高大倾角煤层开采时明 显增大,覆岩垮落充填的非均匀特征进一步增强,煤壁支承压力的非对称特性亦明显增大;采动过 程中煤壁的力学性质逐步劣化,伴随着裂隙的扩展、演化和贯通,煤壁开裂并形成滑移体,当滑移体 周围约束解除或支承压力增大时,滑移体沿滑移面滑移,形成煤壁片帮;在工作面倾向,中部区域是 煤壁片帮的高发区域,上部次之,下部最少,与煤壁的非对称受载特征相吻合;在垂直煤层方向,煤 壁变形亦非对称,煤壁位移量中上部大于下部,靠近顶板区域易发生煤壁片帮;在煤壁重力倾向分 量影响下,煤壁片帮易向倾向上部煤体蔓延。 基于上述分析,并结合 2130 煤矿 25221 工作面的生 产实际,提出了大倾角大采高综采工作面煤壁片帮防治措施。 关键词大倾角煤层;大采高开采;煤壁片帮 中图分类号TD823 42 文献标志码A 文章编号0253-9993201807-1829-08 收稿日期2018-01-24 修回日期2018-05-13 责任编辑毕永华 基金项目国家自然科学基金重点资助项目51634007;陕西省自然科学基础研究计划资助项目2017JQ5091;中国博士后科学基金资助项 目2018M633539 作者简介罗生虎1983,男,新疆哈密人,讲师,博士。 Tel029-85583136,E-mailluoshh06 qq com 通讯作者伍永平1962,男,陕西汉中人,教授,博士。 Tel029-85583143,E-mailwuyp xust edu cn Asymmetric load and instability characteristics of coal wall at large mining height fully-mechanized face in steeply dipping seam LUO Shenghu1,2,WU Yongping2,3,LIU Kongzhi2,3,4,XIE Panshi2,3,WANG Hongwei2,3 1. Department of Mechanics,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China; 2. Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention Ministry of Education,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China; 3. School of Energy Engineering,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China; 4. Chongqing Energy Guizhou Coal Co. ,Ltd. ,Bijie 551700,China AbstractThe rib spalling is a technical problem to be solved urgently in steeply dipping thick seam mining. Based on the geological conditions and characteristics of strata behaviors at No. 25221 working face in 2130 Coal Mine,the load and instability characteristics of coal wall is investigated by theoretical analysis,numerical simulation,physical ana- logue material simulation,and field monitoring. Results show that the asymmetry characteristics of mining pressure and strata behavior of large mining height face is higher than that of general mining height face in steeply dipping seam, which is due to mining height increase. Because the inhomogeneous characteristics of the overburden filling are further 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 enhanced,the asymmetric characteristics of the supporting pressure of the coal wall are also obviously increased. Dur- ing the process of mining,the mechanical properties of coal wall will gradually deteriorate,coal wall crazes and slip body appears. Then the slip body slides along the slip surface,rib spalling emerges,when the surrounding constraints of slip body are relieved or support pressure increases. In inclination direction,the central area is the high incidence area of rib spalling,upper secondary and lower minimum,which is consistent with the asymmetric loading characteristics of coal wall. Besides,in vertical direction,the displacement at the upper part of coal wall is larger than that at the lower part,and rib spalling is easy to occur near the roof area. And under the influence of the gravity tendency component of coal wall,the rib spalling is easy to spread to the upside. On the basis of safety production demands at No. 25221 working face in 2130 Coal Mine,some control measures have been proposed in the paper. Key wordssteeply dipping seam;large mining height;rib spalling 大倾角煤层是指埋藏倾角为 35 55的煤层, 是国内外采矿界公认的难采煤层1。 我国大倾角煤 层占有 15 20 的储量,且 50 以上的大倾角煤 层为优质焦煤和无烟煤,广泛分布于我国各大矿区, 是我国保护性开采的稀缺煤种2。 在大倾角煤层开采中,煤层厚度超过3 5 m 的一 般均采用综放开采,但开采效率低、开采工艺复杂等 问题一直未能得到有效解决,综采一次采全高方法可 有效克服上述难题3-4。 厚煤层一次采全高采煤方 法在我国许多大中型矿井的一般倾角煤层开采中得 到广泛运用,具有生产能力大、资源采出率高等优 点5-6;但随着采高的增大,煤壁片帮、架前与架间漏 冒等问题尤为突出,成为厚煤层开采亟须解决的技术 难题7。 在一般倾角大采高煤层开采中,顶板对煤 壁的压力和煤壁自身的物理力学性质是影响煤壁片 帮的主要因素8;但在大倾角大采高煤层开采中,受 煤层倾角影响,围岩采动应力场的分布规律、围岩的 变形破坏特征及所形成围岩结构的空间形态等均呈 现出非对称特性9-11,煤层倾角、采高、周期来压、仰 伪斜角等都会对煤壁的稳定性造成不同程度的影响, 煤壁始终处于一个非均衡的复杂受力环境中,造成在 大倾角大采高煤层开采中煤壁片帮的形成机理及其 基本特征等远较一般倾角煤层开采时复杂,除了具有 一般倾角大采高煤层开采中出现的频次高、范围大、 分区域等基本特征外12-13,在煤层倾角影响下还具 有蔓延性与滑冒等特点14,导致煤壁片帮防治难度 加大,不能像炮采工作面那样通过打贴帮柱来解决, 而且片帮后极易导致端面顶板垮落,影响工作面正常 推进并带来安全隐患15。 本文在已有研究工作基础上,以新疆焦煤集团 2130 煤矿 25221 大倾角大采高综采工作面为工程背 景,采用理论分析、数值计算、物理相似材料模拟实验 和现场监测相结合的综合研究方法,对大倾角大采高 综采工作面煤壁的受载与失稳特征展开研究,并在此 基础上提出煤壁片帮的防控措施,为解决该类煤层采 场岩层控制关键技术难题提供理论依据。 1 工程概况 2130 煤矿 25221 工作面位于二采区 5 号煤层, 该工作面位于 15 号沟以西,16 线以东 153 m,地表为 高山沟壑,呈东西狭长分布,西高东低。 25221 工作 面开采标高为2 047 2 120 m,工作面设计走向长 2 098 m,工作面倾向长 105 m。 工作面煤层倾角 36 46,平均 44,煤容重 1 35 t/ m3,煤层赋存稳 定。 25221 工作面回采范围煤层内向西、向下煤层厚 度逐渐变薄,煤层结构中部简单,东西部较复杂,煤层 厚度 3 58 9 77 m,平均厚度 5 77 m,含 3 5 层夹 矸,煤矸互层 1 4 2 5 m,煤的硬度系数 f 0 3 0 5。 工作面直接顶板为泥质胶结、风化易碎的灰白 色中砂岩,厚度 2 32 m。 其上为以石英为主、抗风化 能力强但层面发育的灰白色中砂岩,厚度 16 59 m, 单向抗压强度为 79 9 100 2 MPa。 工作面底板为 粗砂岩,灰白色,以石英为主,矿质胶结为主,厚度为 17 06 m。 工作面水文地质条件简单,涌水主要来自地面和 顶板裂隙水及河床渗水,根据该工作面涌水量实际检 测,涌水量为 4 72 9 3 m3/ h。 工作面煤层瓦斯含 量高,绝对瓦斯涌出量为 24 43 m3/ min,相对瓦斯涌 出量为 25 14 m3/ t。 煤层自燃性指标,按自燃倾向分 类等级二级为自燃煤层。 2 大倾角大采高煤壁分区受载特征 2 1 覆岩的非对称破坏运移特征 在大倾角大采高煤层开采中,受煤层倾角影响, 顶底板采动应力场的分布规律呈现出非对称特征,在 顶底板岩层中分别形成非对称拱形和反拱形应力释 放区,顶板岩层在回风巷一侧形成应力集中区,底板 岩层在运输巷一侧形成应力集中区;且随着采高的增 0381 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 7 期罗生虎等大倾角大采高综采工作面煤壁非对称受载失稳特征 大,工作面倾向下端顶底板岩层采动应力释放区范围 及应力集中区的应力值逐渐减小,而工作面倾向上端 应力集中区范围则逐渐增大,如图 1 所示。 图 1 不同采高条件下工作面倾向垂直应力分布 Fig 1 Distribution of vertical stress along inclination under different mining height 在煤层倾角影响下,围岩的变形、破坏和运移亦 呈现出非对称特征,且受采高增大影响,围岩的运移 空间及围岩运动的幅度和剧烈程度较一般采高大倾 角煤层开采时显著增大,基本顶失稳形成冲击载荷的 频次和量级增大,覆岩破坏范围和破碎程度严重,顶 板冒落矸石向工作面下方的滚、滑运动特征明显,工 作面倾向下部区域采空区充填密实程度增大,顶板破 断垮落后所形成围岩结构的非对称特征明显,且具有 下部层位低、中上部层位高的多阶梯岩体结构特征, 工作面中上部区域空顶范围增大,如图 2 所示。 图 2 覆岩垮落充填特征 Fig 2 Characteristic of overburden caving and filling 2 2 非均匀充填效应下的煤壁受载特征 在大倾角大采高煤层开采中,围岩的破断运移不 仅在工作面倾向有明显的时序性和非对称特性,在工 作面走向也呈现出异性。 沿采空区倾向自下而上,顶 板冒落矸石与支架的距离呈现出由近及远的特征,即 顶板冒落矸石与底板形成的直线和支架与底板的接 触线在工作面倾向形成一定的夹角一般倾角煤层 开采中二者为平行线,如图 3 所示。 受采高增大影 响,顶板冒落矸石滚动下滑的幅度和剧烈程度增大, 工作面倾向下部区域采空区充填密实程度增大,顶底 板岩层稳定性增强,支架围岩系统较稳定;工作面 倾向中、上部区域采空区处于充填不实或半充填状 态,顶底板岩层运动的幅度和剧烈程度增大,支架 围岩关系复杂。 按照工作面倾向矿压显现规律的差 异,自下而上可依次分为稳定区、过渡区和活跃区。 图 3 大倾角煤层开采覆岩剖视图 Fig 3 Sectional view of cover rock in steeply dipping seam 在工作面倾向下部区域,工作面后方采空区始终 处于填满状态,且受采高增大影响,充填较为密实,基 本顶破断后能形成较稳定的铰接岩梁结构,其对应的 支架围岩关系如图 4 所示。 根据平衡条件,取岩块 B 为研究对象,并对铰接点 O 取矩,则倾向下部区域 煤壁支承压力 P1可表示为 P1 qu hL2 u - q dL 2 d 2Th - FsLu- QLQ 2LP 1 式中,Q 为支架工作阻力;T 为基本顶破断岩块铰接 点水平推力;Fs为基本顶破断岩块铰接点摩擦力;qu 为基本顶上部岩层作用载荷;qd为冒落矸石支承载 荷;Lu为基本顶破断岩块长度;Ld为冒落矸石对岩块 B 的有效作用长度;LQ为支架等效作用载荷到破断 点 O 的距离;LP为煤壁支承压力到破断点 O 的距 离;h 为基本顶厚度;r 为基本顶重度。 在工作面倾向中部区域,工作面后方采空区处于 半充填状态,充填密实程度较下部区域弱,基本顶破 断垮落后亦能形成铰接岩梁结构,但其稳定性亦较下 部区域弱,其对应的支架围岩关系如图 5 所示。 根 据平衡条件,倾向中部区域煤壁支承压力 P2可表示 为 P2 qu hL2 u 2Th - FsLu- QLQ 2LP 2 对比式1,2及图 4,5 可以看出,由于中部区 1381 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 图 4 倾向下部区域支架围岩关系 Fig 4 Relationship between support and surrounding rock in lower area of inclination direction 图 5 倾向中部区域支架围岩关系 Fig 5 Relationship between support and surrounding rock in central area of inclination direction 域的破断基本顶岩块 B 无矸石支承载荷 qd,且摩擦 力 Fs亦较下部区域小,为保持支架围岩系统稳定, 支架等效载荷 Q 作用位置需后移LQ减小,造成该 区域基本顶下沉量、支架工作阻力和煤壁支承压力等 均较下部区域大。 在工作面倾向上部区域,工作面后方采空区无充 填或充填矸石离工作面相对较远,基本顶破断垮落后 向工作面中、下部区域滚滑动,不能形成铰接岩梁 结构,基本顶破断岩块间的水平推力 T 和摩擦力 Fs 均可忽略,其对应的支架围岩关系如图 6 所示。 根 据平衡条件,倾向上部区域的煤壁支承压力 P3可表 示为 P3 qu hL2 u - 2QLQ 2LP 3 由于该区域破断基本顶后方无约束,在工作面推 进过程中,基本顶后方的悬露长度和回转角逐渐增 大,易发生回转失稳并形成空顶现象,支架稳定性控 制难度亦随之加大,且在此过程中支承压力向煤壁面 深部转移,煤壁支承压力减小。 可以看出,受冒落矸石非均匀充填效应影响,沿 工作面倾向不同区域的支架围岩关系存在显著差 异,煤壁支撑压力随支架工作阻力的增大而减小,煤 壁支承压力在工作面倾向呈现为中部最大、上部次 图 6 倾向上部区域支架围岩关系 Fig 6 Relationship between support and surrounding rock in upper area of inclination direction 之、下部最小的非对称特性,且随着采高增大,煤壁支 承压力的非对称特性会越发明显。 工作面倾向中部 区域煤壁处于高围压环境,最易出现煤壁片帮,适当 提高该区域支架工作阻力,可有效降低煤壁片帮发生 的概率。 3 大倾角大采高煤壁变形失稳特征 3 1 煤壁变形破坏特征 采动过程中顶板变形破坏、应力释放形成矿山压 力,并通过顶板层间传递作用在煤壁前方形成超前支 承压力,对煤壁的稳定性产生影响。 随着采高的增 大,顶板岩层运移的幅度和剧烈程度增大,顶板应力 释放充分,如图 7 所示。 顶板应力的释放过程亦为工 作面煤壁吸收能量的过程,顶板对煤壁的作用增大, 煤壁位移随之增大,如图 8 所示。 同时,随着采高的 增大,煤壁的失稳空间、自由面及破裂区亦随之增大, 煤壁稳定性降低。 图 7 不同采高时超前支承压力分布 Fig 7 Distribution of advance abutment pressure under different mining height 当煤壁所受载荷超过其承载极限时,煤壁前方 1 5 6 m 范围内产生超前裂隙,伴随着裂隙的发育、 扩展和贯通,煤壁内部形成较明显的宏观裂隙,煤壁 开裂并伴随形成不同形态的滑移体,如图 9 所示。 当 滑移体所受主动力大于周围煤体对滑移体的临界约 2381 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 7 期罗生虎等大倾角大采高综采工作面煤壁非对称受载失稳特征 图 8 不同采高条件煤壁位移曲线 Fig 8 Displacement of coal wall at different mining height 束力时即当滑移体周围煤体被采出时滑移部分约 束被解除或来压期间煤壁支撑压力增大时,滑移体 沿滑移面滑移,形成片帮。 在垂直煤层方向,煤壁变 形非对称,煤壁位移量中上部大于下部,下部容易出 现负位移,靠近顶板区域是片帮的高发地带,这与一 般倾角煤层开采时的煤壁片帮特征一致;但与其不同 的是,当煤壁局部区域发生片帮后,片帮区域倾向上 部煤体在其外侧和倾向下方处于无约束状态,在基于 煤层倾角的重力效益影响下,易形成片帮区域不断向 倾向上部蔓延。 图 9 煤壁裂隙扩展演化 Fig 9 Evolution of crack propagation in coal wall 3 2 煤壁失稳特征力学分析 煤壁的破坏与煤体的承载能力和支承压力密切 相关,根据工作面前方煤壁的受载与破坏特征,可将 煤壁分为松弛区、塑形承载区和弹性区13。 煤壁片 帮发生于松弛区,松弛区煤壁在支承压力作用下出现 开裂,如图 10a所示。 图中,H 为煤层厚度;Hh为 互帮板作用区域;pzy为的顶板作用载荷;q2为护帮 板作用载荷。 图 10 煤壁岩梁力学模型 Fig 10 Vertical Mechanical model of coal wall 在大倾角煤层开采中,受煤层倾角影响,煤壁沿 重力方向的高度为煤层厚度的 1/ cos 一般倾角煤 层开采中二者相等,为此建立如图 10b所示的沿 重力方向的煤壁岩梁力学模型。 z 轴表示重力方向, 其与垂直煤层方向的夹角为煤层倾角 ;H0 H/ cos ,为煤层厚度 H 在重力方向的投影长度;H1 Hh/ cos ,为互帮区域 Hh在重力方向的投影长度;P 为煤壁岩梁重力方向支承压力;q1为煤壁内部挤压 载荷;q2为护帮板作用载荷,假设其为三角形分布载 荷,可表示为 q2 q 0 H1 - H 0 z H1 4 式中 q0为常量。 根据纵横弯曲理论,煤壁岩梁 AB 段0zH0- H1的挠曲线近似微分方程可表示为 d2xABz dz2 q1 2EIH0 - z 2 P EIxABz F EIH0 - z q2H1 2EI H0- z - H1 3 5 BC 段H0 -H 1zH0的挠曲线近似微分方程 可表示为 d2xBCz dz2 q1 2EIH0 - z 2 P EIxBCz F EIH0 - z 1 EI H0 H0 -H 1 q2 - xd 0 6 式中,E 为弹性模量;I 为惯性矩;F 为煤壁岩梁 C 截 面处的约束力。 根据煤壁岩梁 AB 段和 BC 段的受力 特征与约束条件,其对应的边界条件和连续性条件可 表示为 xAB z 0 0,AB z 0 0,xAB z H0 -H 1 x BC z H0 -H 1, 3381 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 xBC z H0 0,AB z H0 -H 1 BC z H0 -H 1 7 则煤壁岩梁 AB 段和 BC 段的挠曲线方程可表示 为 xABz C1cos Pz EI C 2sin Pz EI 1 6P2 6EIq1- 6FPz - 3q1Pz2 6FPH0 6q1PzH0- 3q1PH2 0 - 3PzH1q0 3PH0H1q0- PH2 1q0 8 xBCz C3cos Pz EI C 4sin Pz EI 1 6P2H1 6EIq1H1- 6FPzH1- 3q1Pz2H1 6FPH0H1 6q1PzH0H1- 3q1PH2 0H1 - 6EIzq0 6EIH0q0- 3Pz2H0q0 3Pz2H2 0q0 - SH3 0q0 - 6EIH1q0 3Pz2H1q0- 6PzH0H1q0 3PH2 0H1q0 9 式中,积分常数 C1,C2,C3,C4和截面 C 处的约束力 F 可依次表示为 C1EI- 6EIsin PH1 EI H0q0 6 EIPH0H1q0 - q 1 sin PH0 EI H16EIq1 3q1PH2 0 - PH2 1q0 6P2H1-EIsin PH0 EI Pcos PH0 EI H0 C2EI6EI PH1q0 - q 1 6E 3/2I3/2sin PH1 EI q0Pcos PH0 EI H1 - 6EIq1- 3q1PH2 0 - PH2 1q0 6P5/2H1-EIsin PH0 EI Pcos PH0 EI H0 C3EI- 3q1Psin PH0 EI 2EI PH2 0H1 - 6 EIPH0H1q0 - q 1 6EIsin PH0 EI -EIsin PH0 - H 1 EI Pcos PH0 - H 1 EI H0 q0 P 3/2sin PH0 EI H3 1q0 6P5/2H1EIsin PH0 EI -Pcos PH0 EI H0 C4EI6E3/2I3/2cos PH0 EI sin PH0 - H 1 EI q0- 6EI Pcos PH0 EI cos PH0 - H 1 EI H0q0PH1 6EIq0 - q 1 cos PH0 EI 6EIq1 3q1PH2 0 - PH2 1q0 6P5/2H1EIsin PH0 EI -Pcos PH0 EI H0 F - 6EI PH1q0- q1 6E 3/2I3/2sin PH0 EI q0 3sin PH0 EI EIPH1- 2q1H0 H 1q0 Pcos PH0 EI H1 - 6EIq1 3q1PH2 0 - 3PH0H1q0 PH 2 1q0 6PH1-EIsin PH0 EI Pcos PH0 EI H0 由式8,9并结合新疆焦煤集团 2130 煤矿 25221 工作面的开采情况,可得煤壁沿重力方向的挠 度和弯矩分布如图 11 所示。 由图 11 中可以看出,煤 壁沿垂直煤层方向的变形亦非对称,其最大变形量位 于采高的 0 6 倍处,同时除煤壁底部外该区域的弯矩 也最大,该区域即为煤壁最容易破坏的位置。 4 煤壁片帮现场监测结果分析 25221 大倾角大采高综采工作面现场监测结果 显示,工作面初次来压和周期性来压较一般采高大倾 角煤层开采而言呈现出来压步距小、来压强度大的特 征,初次来压步距 40 m,周期来压步距 13 m,来压持 续时间 2 3 d16,且在来压期间煤壁片帮次数明显 增加、片帮区域明显增大。 工作面矿山压力显现具有 时序性,工作面来压呈现出“先中部、次上部、再下 部”的基本特征;矿压显现沿倾向分区特征明显,工 作面支架载荷工作阻力呈现出中部区域大,上部 区域次之,下部区域最小的非对称特征,工作面上部 区域支架载荷约为中部区域的 95,下部区域支架 载荷约为中部区域的 82。 工作面发生片帮的煤壁宽度超过工作面面长的 60,且工作面倾向中部区域是煤壁片帮多发区域, 4381 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 7 期罗生虎等大倾角大采高综采工作面煤壁非对称受载失稳特征 图 11 煤壁挠度和弯矩沿重力方向的变化规律 Fig 11 Variation of deflection and bending moment along vertical direction of coal wall 上部区域次之,下部区域最少,如图 12 所示17,这与 工作面煤壁的非对称受载特征相吻合。 工作面煤壁 片帮影响因素较多,除受煤体自身强度和支承压力影 响外,主要还受工作面煤层倾角、采高、周期来压、回 采工艺、仰伪斜角、工作面推进速度和采场顶板坚硬 程度等因素的影响,且一般表现为工作面煤层倾角、 采高、仰伪斜角越大及推进速度越小,工作面煤壁发 生片帮的可能性、影响范围和强度就越大,煤壁片帮 发生频次也越高。 当煤壁局部发生片帮时,垮落煤体 在其自重倾向分量的作用下沿工作面倾向下方滑移, 煤壁片帮会向倾向上部煤壁及垂直煤层上部顶板扩 展,形成蔓延和滑冒特征14。 现场实测数据分析与 理论研究结果一致。 图 12 工作面煤壁片帮现场监测统计 Fig 12 Statistics of rib spalling of coal wall 5 煤壁片帮防控措施 结合已有研究成果14,17-18,基于大倾角煤层长 壁大采高综采工作面煤壁失稳特征和新疆焦煤集团 2130 煤矿 25221 大倾角煤层长壁大采高综采工作面 的生产实际情况,提出大倾角煤层长壁大采高综采工 作面片帮应遵循的防治原则如下 1提高支架初撑力和工作阻力尤其是倾向中 部区域,支架初撑力应达到其工作阻力的 80。 及 时带压移架,调整支架位态,使支架顶梁顶住煤壁。 提高护帮板的使用率,在机组割煤移架后,立即打开 护帮板护帮。 改造支架柔性顶梁结构,将柔性顶梁与 固定顶梁刚性固定在一起,减小顶梁对煤壁的控制距 离。 实现工作面煤壁、顶底板与支架在接触、受载状 态上的耦合,确保工作面“支架围岩”系统稳定,降 低煤壁受力。 2采用坚硬顶板超前松动预爆破弱化技术,及 时准确的观测工作面顶板分层、厚度变化、裂隙分布、 倾角变化等情况,有针对性的调整回风巷、运输巷循 环放顶炮孔的布置角度、装药量及装药分段数等参 数,以保证良好的放顶效果,防止工作面煤壁局部区 域支承压力过高,导致工作面煤壁片帮、冒顶。 3在工作面上、下端头超前钻孔,并利用报废 的瓦斯抽放孔,对煤壁采面走向和倾向孔进行直接或 超前注浆加固,甚至可采用易切割的锚杆对工作面进 行及时支护,改善工作面煤壁物理力学性能,提高煤 体自身的承载能力。 4尽可能地降低工作面仰伪斜角度,并严格控 制工作面伪斜角度小于 3,以减少采面仰伪斜布置 导致煤壁片帮的可能性。 5通过布置智能矿压监测仪等,对工作面实施 全方位连续动态矿压监测,以便掌握工作面矿山压力 显现规律,保证准确地对不同阶段煤壁片帮可能性进 行预报。 对片帮严重区域可通过提高工作面推进速 度大于 3 m/ d、降低采高3 5 m 左右来降低煤壁 片帮的概率。 6 结 论 1在大倾角大采高煤层开采中,受煤层倾角影 响,围岩的变形、破坏和运移呈现出非对称特性,且受 采高增大影响,围岩运移空间增大,冒落矸石的滚、滑 运动特征明显,采空区下部区域充填密实程度增大,煤 壁支承压力在工作面倾向呈现为中部最大、上部次之、 下部最小的非对称特征,且随着煤层倾角和采高的增 大,煤壁支承压力的非对称特征会越发明显。 2采动过程中煤壁力学性质逐步劣化,伴随着 裂隙的逐步发育、扩展和贯通,煤壁开裂并形成滑移 体,当滑移体周围约束解除或支承压力增大时,滑移体 将沿滑移面滑移,形成煤壁片帮。 局部区域煤壁片帮 后,片帮区域倾向上部煤体在其外侧和倾向下方处于 无约束状态,易形成片帮区域不断向倾向上部蔓延。 3在工作面倾向,中部区域是煤壁片帮的高发 区域,上部次之,下部最少,这与煤壁的非对称受载特 征相吻合。 在垂直煤层方向,煤壁变形亦非对称,煤 5381 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 壁位移量中上部大于下部,靠近顶板区域易发生煤壁 片帮,这与一般倾角煤层开采时的片帮特征相一致。 4大倾角大采高综采工作面应以“严控工作面 顶板帮体支架底板系统稳定、坚硬顶板超 前松动预爆破弱化、工作面煤壁超前预加固、小仰伪 斜角度工作面布置、全时动态工作面矿压监测”为原 则制定煤壁片帮的综合防控技术,确保工作面安全高 效生产。 参考文献References 1 伍永平,刘孔智,贠东风,等. 大倾角煤层安全高效开采技术研 究进展J. 煤炭学报,2014,3981611-1618. 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