综采工作面如何安全收作技术研究

煤矿技术
2015.10︱381︱
综采综采工作面如何安全收作技术研究工作面如何安全收作技术研究工作面如何安全收作技术研究
班训广 宋方来 王铁林
（微山湖矿业集团有限公司，山东 微山 277600）
【摘 要】由于我国地域辽阔，厚煤层储量丰富，随着大采高
综采技术的不断发展，并且配套设备也随着改善，厚煤层开采将进一步展开。

但当遇到棘手事件，如大采高工作面遇到大倾角复杂煤层时，就会加大采场围岩的难度，特别是针对工作面煤壁易于片帮失稳的情况，严重制约了大采高工作面安全高效优势。

因此，开展大倾角大采高工作面的煤壁失稳机理和控制研究是有意义的。

【关键词】综采工作面；安全；失稳
1 国内外研究现状与存在问题
1.1 国内外研究现状
大采高综采工作面的采场顶板岩层运动规律和采场压力显现出：规律有其特殊性。

工作面采高大，就使得工作面顶板活动空间增大、基本顶悬臂梁结构的弯距加大，从而使得工作面上覆岩层冒落高度、裂隙带高度、工作面超前支承压力及侧向支承压力等发生变化,，易发生“煤壁片帮—顶板冒落—煤壁片帮”的恶性循环事件。

因此，进行大采高综采工作面的围岩控制理论，及时掌握工作面顶板的活动规律和采场压力的显现规律具有现实指导意义，需要进行深入的探索。

前苏联曾对大采高的围岩运动规律及控制原理做过初步研究，主要在实验室里对开采厚度为2、4、6及 8m 煤层进行相似模拟实验,实验及现场的研究结果表明：① 不论基本顶初次来压还是周期来压步距均不决定于开采煤层的厚度,而决定于岩层的特性及其结构；② 随煤层厚度增加,顶板坚硬岩层的支点由煤壁边缘转移到了煤体的深部,工作面内顶板下沉量及来压强度都将增大；③ 随着煤层厚度的增加，会使岩层垮落高度增大，顶板下沉量增大，因此必须预先规定支架的可缩量问题，支承的压力范围也随采高的增加而增大。

1.2 存在问题
虽然大采高综采围岩活动规律和控制的理论和实践研究近年来均取得了很大的进展，但是现有的一些研究多用于强度较大的煤层(如山西大同矿区和晋城矿区的中、南部井田)或韧性较好的煤层(如神东矿区),还不能系统、全面地解释大采高实践中出现的其他问题,特别是在软煤层大采高综采工作面围岩控制理论及技术方面的系统研究更少。

综上所述,复杂条件下大采高综采工作面围岩控制理论及技术研究在以下方面尚需进行研究：
（1）认识到采高大覆岩垮落高度大的规律,但对覆岩垮落岩层结构对支架承载影响的认识不足;
（2）复杂条件下大采高工作面煤壁失稳机理及防治技术研究,煤壁片帮是大采高综采技术急需解决的关键技术问题,对采场煤壁片帮机理的研究常采用煤壁塑性区发育宽度来衡量,欠缺准确性;
（3）复杂条件下大采高综采工作面支架—围岩关系以及综采辅助技术研究,对支架稳定性的影响因素研究较多,但对影响因素对支架稳定性影响程度的定量研究较少;
（4）缺乏对复杂条件下大采高工作面煤壁的稳定性进行科学的评价,尚未建立该条件下煤壁稳定性评价模型。

2 大采高工作面煤壁稳定性分析
2.1 大采高工作面煤壁失稳形式分析
通过对大采高工作面煤壁片帮的影响因素分析后指出：① 由于煤体是一种不连续的介质，而煤层中存在大量的节理裂隙，他们大小不一，其存在使得煤层中出现了弱结构面，这会受到顶板的压力作用，煤壁很有可能会沿着节理裂隙的这些弱的结构面出现滑动破坏，而形成片帮；②由于煤层中含有软弱夹层，其存在会严重地影响整体的煤层的承载能力，并且随着采高的增大，煤层中的软弱夹层的数量也随之增多，一般而言，煤层的整体承载力就会下降，导致煤壁的片帮破坏。

2.2 大采高工作面煤壁失稳的分类
一般认为，大采高工作面煤壁稳定性主要受到煤体的物理力学性质、煤体内节理裂隙发育情况、工作面所处的应力环境、工作面采高、支架结构性能参数、工作面推进速度等方面的影响，其中工作面采高、推进速度、煤体裂隙发育程度及煤层强度等是煤壁失稳的主要影响因素。

现场实测结果表明，煤壁失稳的形式也呈现多样化的，片帮、腰部片帮、顶底部片帮、底部片帮、整体斜切片帮等5种煤壁失稳形式，由于不同煤矿的煤层赋存条件、煤体性质、工作面装备等方面存在着明显差异，因而不同大采高工作面所表现出的煤壁失稳形式也有所不同。

但是，根据目前所掌握的大采高工作面煤壁失稳形式的现场实测资料，不论大采高工作面条件如何变化，顶部片帮形式总是大采高工作面煤壁失稳的主要表现形式，发生该类煤壁失稳的频率为 36%～76%,而发生整体斜切片帮和底部片帮的几率较低。

发生腰部片帮和顶底部片帮的频率高低受大采高工作面的实际生产地质条件的影响较大，发生腰部片帮的频率为 1.5%～37.8%,,发生顶底部片帮的频率为0～42%。

为了有效防止大采高工作面煤壁失稳，必须深入研究大采高工作面煤壁失稳的机理及其预防措施，而对大采高工作面煤壁失稳进行科学分类，则是首先必须解决的问题。

本文根据大采高工作面煤壁失稳的不同机制，将煤壁失稳分为应力控制型和结构控制型两大类。

2.3 大采高工作面煤壁失稳机理
本文将大采高工作面的煤壁失稳分为应力控制型和结构控制型两大类,为了深入研究大采高工作面煤壁失稳的机理，分别建立力学模型进行分析。

对于应力控制型煤壁失稳,由于结构面的控制作用消失,可按完整煤体对其进行分析;而对于结构控制型煤壁失稳,由于煤壁沿结构面发生失稳,可对结构面的稳定性进行分析。

3 煤层倾角对大采高工作面煤壁稳定性的影响
目前大采高综采主要应用于赋存条件简单的厚煤层开采,当在煤层埋深加大、倾角变大、“三软”煤层等复杂赋存条件时,导致采场围岩控制难度增大。

提高大采高综采工作面煤壁的稳定性、防治煤壁片帮是大采高综采采场围岩稳定性控制的重点之一,目前有关煤壁稳定性方面的研究主要集中在煤体的物理力学性质(抗拉强度、抗压强度、弹性模量、内聚力、内摩擦角等,还包括煤体的节理、裂隙发育情况等)、工作面采高、支架性能参数(支护阻力、支护强度、护帮结构及其性能)、基本顶活动规律、工作面推进速度等方面,而对于一些煤层赋存条件复杂的大采高工作面煤壁的稳定性研究还不够深入。

由实验结果可以看出，对于水平开采、仰斜开采和俯斜开采三种方式来说在煤体硬度、工作面采高和煤层顶底板稳定性相同的条件下，煤层应力大小都与煤壁的片帮破坏程度成正比。

煤层应力越大,煤壁片帮破坏的范围越大，声发射的频次和能量也随之增加。

而在工作面采高和其他煤层赋存条件相同的情况下,工作面水平开采、仰斜开采和俯斜开采对煤壁稳定性的影响程度依次为:仰斜开采>水平开采>俯斜开采。

4 结论
根据大采高工作面煤壁失稳的不同机制,将煤壁失稳分为应力控制型和结构控制型两大类。

结构控制型煤壁失稳指煤壁失稳机理由煤体的结构面所控制,煤壁失稳与结构面的几何分布和煤体材料性质密切相关;应力控制型煤壁失稳指煤壁的失稳破坏机理与完整煤体基本相同,主要受煤体材料性质控制,结构面的控制作用消失。

研究表明,在大采高工作面煤壁的上部和中部易发生应力控制型煤壁失稳,其中拉裂破坏机制造成的应力控制型煤壁失稳易在大采高工作面煤壁中部偏上部位发生,剪切破坏机制造成的应力控制型煤壁失稳易在工作面煤壁上部发生。

数值模拟结果还表明,当结构面倾角为±25°时,在文中的模拟条件下，煤体并未沿着结构面发生煤壁失稳,而是由结构面横向扩展形成新的裂隙引发煤壁失稳,即此时煤壁失稳主要受应力控制而未受结构面控制。