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仰采大采高工作面煤壁片幫影響因素分析及控制措施研究

文檔作者：范苑，孔德中，王兆會文檔來源：中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年11月29日
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2013年第7期 煤炭工程
doi： 10．1 1799／ce201307018
仰采大采高工作面煤壁片幫影響因素分析
及控制措施研究
范 苑，孔德中，王兆會
(中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院，北京100083)
摘要：針對東龐煤礦大采高工作面仰采階段的煤壁片幫具體情況，通過理論分析、數(shù)值模
擬、室內(nèi)實驗、現(xiàn)場實測等研究手段，研究了仰采大采高工作面煤壁片幫的影響因素，提出了提
高支架初撐力、降低割煤高度、加快工作面推進速度和煤壁注漿加固等控制煤壁片幫技術(shù)措施，
并取得了良好的應(yīng)用效果。論文的研究結(jié)論對于如何提高仰采大采高綜采工作面的開采效率和應(yīng)
用成功率具有一定的借鑒意義。
關(guān)鍵詞：仰斜開采；大采高工作面；煤壁片幫；控制措施
中圖分類號：TD823 文獻標識碼：A 文章編號：1671—0959(2013)07-0051-03
Analysis on Factors Afected to Coal W all Spalling in Fully
M echanized High Cutting Upward M ining Face and Study
on Control M easures
FAN Yuan，KONG De—zhong，WANG Zhao—hui
(School of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)
Abstract：According to the certain conditions of the coal wall spalling occurred at the upward mining stage of the fully
mechanized high cutting coal mining face in Dongpang Mine，with the theoretical analysis，numerical simulation，indoor
experiment，site measurements and other study means，the factors affected to the coal wall spalling the factors affected to
the coal wall spalling occured in the fully mechanized upward and high cutting coal mining face were studied． The
measures to improved the initial support force of the powered support，to reduce the coal cutting height，to speed up the
advancing rate of the coal mining face，to reinforce the coal wall with grouting and to control the coal wall spalling
technology were provided and good application effects were obtained． The study conclusion of the paper would have certmn
reference significances how to improve the mining eficiency and application success rate of the fully mechanized upward and
high cutting coal mining face．
Keywords：upward mining；high cutting coal mining face；coal wall spalling；control measures
近年來，隨著綜合機械化程度的提高，尤其是大采高
液壓支架和采煤機等配套設(shè)備的研制，加之大采高開采理
論與技術(shù)的發(fā)展，大采高開采技術(shù)已成為目前厚煤層安全
高效開采的發(fā)展方向? 。但是由于煤體強度遠低于巖石，
割煤高度的增加也加大了煤壁發(fā)生片幫的危險。對于大采
高工作面的開采安全問題，近些年來我國學者開展了大量
的相關(guān)研究。王德勝、韓建鋒等人 針對復(fù)雜地質(zhì)條件
下的大采高工作面如何改善回采工藝開展了研究；華心祝、
方新秋等人 針對大采高工作面的煤壁片幫各種情況進
行分類，并提出了相應(yīng)的控制措施；趙宏珠、趙國棟等
人 還從支架的結(jié)構(gòu)和受力狀況、礦山壓力等方面對大
采高工作面的煤壁穩(wěn)定和開采安全進行了分析。本文所研
究的大采高工作面具有仰采角度大(15。左右)、采高大
(6．2m)等特點，開采難度前所未有。論文將重點從煤壁的
受力、片幫防治等幾個方面展開研究，希望能對大采高綜
采技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供借鑒意義。
收稿日期：2013—04—12
基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2013CB227903)；國家自然科學基金項目(51004109)；中
央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(2010QZ02)
作者簡介：范 苑(1975一)，男，山西人，高級工程師，博士在讀，現(xiàn)在國家開發(fā)投資公司負責煤炭資源的開采
管理。
51
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煤炭工程 2013年第7期
1 工程概況 模型，如圖2所示。
東龐煤礦大采高工作面為612面，走向長1400 m，傾
斜長度為180 m，開采煤層厚度為6．2m，中間偏上位置有
2m厚夾矸巖層，工作面中部有400m的距離為仰采段，仰
采角度為15。，給開采安全帶來了極大威脅。煤層頂?shù)装鍘r
性見表1。
地質(zhì)構(gòu)造方面，利用現(xiàn)有的探測技術(shù)，沒有發(fā)現(xiàn)陷落
柱、火成巖影響回采工作的異常情況。大采高工作面煤壁
片幫的形式由于煤層層理、弱面、節(jié)理裂隙等分布及發(fā)育
程度不同往往是不同的。通常情況下，煤壁片幫可以分為
以下5種形式：頂部煤壁片幫、煤壁腰部片幫、頂?shù)撞科?
幫、底部片幫和煤壁整體片幫，如圖1所示。
表1 煤層頂?shù)装迩闆r表
圖1 大采高工作面常見的片幫形式
通過現(xiàn)場對612大采高工作面的片幫形式進行觀測素
描，據(jù)統(tǒng)計，612面的煤壁片幫主要表現(xiàn)為(a)、(e)兩種
形式，占80％ 以上；(a)形式對于控制端面頂板是不利的，
護幫裝置對片幫失去控制。其次是(C)類占16％ ，(b)和
(d)類形式片幫出現(xiàn)的概率比較小。
2 煤壁片幫的力學模型分析
煤壁片幫多發(fā)生在基本頂周期來壓期間，此時煤壁承
受由于基本頂回轉(zhuǎn)下沉所傳遞的垂直于煤壁方向的鉛垂應(yīng)
力，在巨大剪切應(yīng)力作用下，煤壁內(nèi)的裂隙、擴展、貫通，
最后導(dǎo)致煤體沿某一剪切破壞面發(fā)生滑落失穩(wěn)。為了研究
需要，依據(jù)煤體自身結(jié)構(gòu)及受力特點，將控頂距范圍內(nèi)的
直接頂視為梁結(jié)構(gòu)，建立簡化的612工作面煤壁滑動力學
52
圖2 612工作面煤壁滑動力學模型
圖2中，仰采角度 為15。，P為支架工作阻力，Q為
直接頂?shù)闹亓浚琎 為超前支承壓力Q 作用在煤壁上的分
力，0為液壓支架支柱與煤層走向方向夾角，Q 為周期來
壓期間老頂回轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的附加力Q 作用在煤壁上的分
力， 為護幫板對煤壁的作用力，R為深部煤體對滑動體的
支撐力， 滑動體破裂面的夾角，q為煤壁滑動體受到垂直
于煤壁方向載荷，R 和R 為下部煤體對滑動體底部的支撐
反力和摩擦阻力。d 為滑動體單位體積， 為煤的容重。
以頂梁和滑動體整體為研究對象，建立垂直于煤壁方向和
平行于煤壁方向的受力平衡得：
r
Ql +Q2 +Qco +Jyco~dV—
Psin0一R 一Rsin~ =0 (1)
Ql +Q +Qsi p+Rcos~+Jysir d —
Pcos0一R 一T =0 (2)
再以滑動煤體為研究對象，建立垂直于煤壁方向的受
力平衡得：
q+fyco dV—R 一Rsin0=0 (3)
對圖2、式(1)、(2)、(3)的定性分析可得：影響煤壁
穩(wěn)定性的內(nèi)在因素是煤體結(jié)構(gòu)及本身的力學性質(zhì)，外在因
素是支承壓力、工作面推進方向和煤層走向方向傾角、支
架的工作阻力以及護幫裝置，而支承壓力的大小范圍又和
煤層開采高度、割煤深度以及工作面推進速度有關(guān)。
3 煤壁片幫的控制措施
通過以上對煤壁片幫影響因素的解析，結(jié)合612工作
面仰斜開采過程中的具體情況，提出以下幾方面的控制煤
壁片幫的措施。
1)帶壓擦頂移架并提高支架的初撐力及時支護頂板。
采煤機割煤后，立即伸出伸縮梁支護頂板并提高支架初撐
力，保證頂梁與頂板的良好接觸，有利于減少頂板下沉量
和煤壁處的壓力，從而減輕煤壁片幫程度。
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2013年第7期 煤炭工程
2)提高支架護幫板使用率。要保證工作面煤壁得到護
幫板的有效支撐，就要采用帶有二級護幫板裝置的液壓支
架，同時在采煤機割煤前，超前1～2架將一級和二級護幫
板收起。
3)采用偽斜開采并適當控制采高。612工作面仰斜開
采時，盡管頂板管理的非常完善，煤壁片幫仍有發(fā)生。此
時，就要采用偽斜開采，相對減小煤層走向方向傾角，從
而減小頂板對煤壁作用力以及煤壁自重向下的分力。當工
作面片幫嚴重發(fā)生冒頂時，可采取丟底煤、割頂煤降低采
高的方法處理冒頂。
4)注漿加固煤壁。612工作面仰采階段處于向斜構(gòu)造
集中應(yīng)力區(qū)，煤壁節(jié)理裂隙、弱面等結(jié)構(gòu)較發(fā)育，直接頂
破碎較嚴重，加之煤層中含有夾矸，盡管支架操作規(guī)范合
理，但煤壁片幫冒頂現(xiàn)象仍很嚴重。因此，要提高破碎煤
體的穩(wěn)定性，減少煤壁片幫，就要對煤壁采用超前化學注
漿加固。注漿加固一方面利用漿液來充填和固結(jié)煤巖體中
被破壞的或者是原有的裂隙面，提高煤巖體的強度和完整
性，另一方面漿液在鉆孔注漿管內(nèi)固結(jié)后形成超長化學漿
體錨桿，托住煤壁滑動體，起到錨桿加固煤壁的作用。注
漿加固煤壁效果好壞在于漿液配比、注漿孔布置高度、注
漿孔深度、注漿壓力以及注漿量。依據(jù)煤壁裂隙發(fā)育情況
以及頂板破壞情況，選擇最佳注漿加固的區(qū)域，提高注漿
效果。
注漿孔布置高度：根據(jù)含夾矸煤層煤壁片幫高度以及
煤層裂隙發(fā)育情況，將注漿孔布置在夾矸層1m 以上的
位置。
注漿孔布置深度：綜合考慮工作面前方支承壓力分布
特征以及煤壁片幫深度，且工作面兩班采煤，一班注漿，
每天工作面推進速度為3m左右，所以確定注漿孔深度為
5m。
漿液壓力：合理的注漿壓力要保證不僅不會破壞煤壁，
而且滲透范圍適中。綜合考慮煤壁裂隙、層理弱面發(fā)育情
況以及注漿孔深度、直徑，注漿壓力選取2—3MPa。
漿液量：注漿量受損失系數(shù)、擴散半徑、注漿深度、
充填系數(shù)、巖石裂隙率、結(jié)實率等很多因素影響，變化范
圍較大，只有通過加強注漿監(jiān)控來保證注漿量。為了保證
注漿效果，一般應(yīng)盡可能多注漿。
此外，通過適當加快工作面推進速度，減少煤壁暴露
時間及作用于煤壁處的壓力。
612工作面仰采階段通過采取以上技術(shù)措施，有效控制
了煤壁片幫，保證工作面安全快速推進，同時創(chuàng)造了極端
復(fù)雜條件下連續(xù)兩個月、月產(chǎn)量超過30萬1的生產(chǎn)記錄。
4 結(jié)論
1)結(jié)合工程實際，通過對612仰采大采高工作面煤壁
片幫的力學模型進行分析，得到了影響煤壁穩(wěn)定性的主要
因素包括：煤體結(jié)構(gòu)及本身的力學性質(zhì)，工作面前方的支
承壓力，工作面推進方向和煤層走向方向傾角，液壓支架
的工作阻力以及護幫裝置。
2)控制煤壁片幫的主要技術(shù)措施包括：工作面盡量采
用偽斜布置，降低仰采角度的影響；遇到地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)
域適當降低采高并加快工作面推進速度；提高支架工作阻
力并采取帶壓移架；選用合理的煤壁注漿工藝。
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(責任編輯郭繼圣)
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