1、第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.20230引言煤炭作为我国的主要能源之一，厚煤层储量具有十分重要的地位，约占我国煤炭资源总储量的2/5，厚煤层煤炭产量更是占据了举足轻重的分量，每年约占煤炭总产量的1/2。随着煤矿开采装备及技术的发展和革新，在厚煤层的开采高度、开采强度上不断增大，在高强度开采影响下厚煤层自然更易发生煤壁片帮、诱发冒顶事故，冒顶事故的发生会进一步引起巷道片帮情况的恶化，严重威胁着人员和设备安全。发生煤壁片帮的因素有很多，主要包括超前支承压力、煤体节理裂隙、采高、内聚力、内摩擦角、支架支护强度、截深、工作面俯（仰
2、）斜开采角度等。因此，许多学者对煤壁片帮进行了研究，取得了很多的经验和成果。张金虎、许永祥、杨俊哲、阴永生等在煤壁稳定性分析、片帮机理与注浆加固等方面进行了研究；张强、邹友平等对煤壁片帮的影响因素进行了分析。831综放工作面煤层为松软且破碎厚煤层，煤体具有强度低、容易片帮的特点，给工作面安全生产造成很大威胁，因此，对松软破碎厚煤层煤壁片帮控制进行研究，对实现综放工作面安全生产具有重要的实践意义。1工程地质条件831综放面位于二水平一采区，工作面平均走向长1 206 m，倾斜宽195 m。煤层厚度3.9516.76 m，平均9.10 m，煤层倾角1218，平均16。煤层属于松软而且破碎煤层，工作
3、面煤样原始含水率0.8%，煤体具有强度低的特点，自稳能力较差，易发生片帮事故。831综放面8煤层赋存一般比较稳定，局部煤层发育着夹矸；831综放面直接顶为粉砂岩，厚度0.59.8 m，平均厚度4.2 m，老顶为粉砂岩，部分含泥岩；8、9煤层夹矸为粉砂岩、泥岩，厚度0.43.48 m，夹矸平均厚度0.47 m。直接底为泥岩，厚度0.55.64 m，平均厚度3.68 m。水-胶共同作用下松软厚煤层煤壁片帮防治研究郭佳1，常猷亮2（1.安徽省煤炭科学研究院，合肥230001；2.国家矿山安全监察局山西局，山西 长治046000）摘要：松软厚煤层煤体具有强度低的特点，煤壁易发生片帮、冒顶，给工作面安全
4、生产带来严重威胁。依据831综放工作面松软厚煤层易片帮的特点，提出了在松软煤体内注水+硅溶胶的方法，实现水-胶共同作用下松软煤体强度和变形能力的提升。煤体注水和硅溶胶力学实验表明，煤体含水率控制在5.5%7.0%内，硅溶胶含量为20%左右，凝结时间10 h时具有较好的煤壁片帮控制效果。831综放工作面应用实践表明，松软煤体注水和硅溶胶后，煤壁片帮次数、冒顶次数明显减少，并在类似条件工作面进行了应用，取得了较好的煤壁片帮治理效果。关键词：硅溶胶；松软厚煤层；煤壁片帮中图分类号：TD32;TD355文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 094 04Study on Preve
5、ntion and Control of Coal Rib Spalling in Soft ThickCoal Seam under Action of Water-GlueGUO Jia1，CHANG Youliang2（1.Anhui Coal Research Institute,Hefei 230001,China;2.Shanxi Bureau State Administration of Mine Safety,Changzhi046000,China）Abstract:The coal body of soft thick coal seam has the characte
6、ristics of low strength,coal wall isprone to splicing and roof falling,which brings serious threat to the safety production of working face.According to the characteristics of soft and thick coal seam in 831 fully-mechanized caving face,the method of adding water and silica sol into soft coal body i
7、s put forward to improve the strength anddeformation capacity of soft coal body under the action of water and glue.The coal water injection andsilica sol mechanical experiments show that the coal water content is controlled in the range of 5.5%-7.0%,silica sol content is about 20%and setting time is
8、 not less than 10 h.The application practice of 831 fully mechanized caving face shows that after soft coal is injected with water and silica sol,thenumber of coal wall splints and roof caving is significantly reduced,and the application in similarworking face has achieved better treatment effect of
9、 coal wall splints.Key words:silica sol;soft thick coal seam;rib spallingdoi:10.13301/ki.ct.2023.02.022942不同含水率煤样力学特征为获得不同含水率条件下松软煤层煤样的力学特征，设计了5组不同含水率煤样的单轴抗压实验和剪切实验。单轴抗压实验的煤样尺寸为50 mm100 mm，剪切实验的煤样尺寸为50 mm50 mm，将预制的煤样放入温度为105的干燥箱内烘烤不同时间，目的是使煤样在实验前具有不同含水率。2.1不同含水率单轴抗压强度本文的实验设计了5组不同含水率条件下松软煤层煤样的单轴抗压实验，
10、含水率分别为1.0%、2.5%、4.0%、5.5%、7.0%，为保证数据的有效性，每组试样各3个，共计15个试样。根据不同含水率松软煤层煤样单轴抗压实验结果，得到了峰值强度、峰值应变与含水率的关系，如图1和图2所示。图1峰值强度与含水率关系曲线图图2峰值应变与含水率关系曲线图由图1和图2可知：（1）在松软煤层煤样实验加载过程中，松软煤层煤样经历了4个阶段，分别为压密、弹性变形、塑性变形、残余变形阶段。在松软煤层煤样加载初期，煤样均出现压密变形，随着轴向力的增加，松软煤层煤样内孔隙、裂隙逐渐闭合；之后，煤样在加载过程中发生了弹性变形，在该弹性变形阶段内，松软煤层煤样内产生新裂隙，应力与应变曲线基
11、本为线性关系；在轴向力持续增加的作用下，煤样内不断产生新裂隙，新的裂隙逐渐增多，煤体发生塑性变形，应力与应变曲线基本为“非线性”关系，松软煤层煤样在峰值强度处发生破坏；在残余变形阶段，松软煤层煤样内产生了较多的大裂缝，但煤样没有完全破坏，说明松软煤体在残余变形阶段仍具有一定的残余承载强度，表现出一定的延展性及塑性变形。（2）松软煤层煤样在压密变形阶段随着含水率的增加而增多，但松软煤层煤样弹性变形阶段缩短，松软煤层煤样应力-应变曲线的斜率在弹性变形阶段随之减小，表明松软煤层煤样随着含水率的增大弹性变形模量不断减小；松软煤层煤样的塑性变形随着含水率的增加逐渐突显，随着含水率的增加松软煤层煤样峰值强
12、度不断变小，煤样在峰值处对应的应变随着含水率的增大而增大，尤其是松软煤层煤样含水率从1.0%增加到5.5%时，松软煤层煤样应变增加明显；松软煤层煤样在应力达到最大值后，其变形特征基本一致，松软煤层煤样没有发生脆性破坏，峰后的塑性变形明显，存在一定量的残余变形，含水率较高的松软煤层煤样在加载过程中表现出了整体性膨胀，残余变形阶段位移量较大，表明松软煤层煤样含水率的增加可增加煤样的最大轴向应变。松软煤层煤样峰值应变随着含水率的增加而增加，在含水率达到5.5%以后趋于平稳；煤样峰值强度随着含水率的增加呈现减小趋势，在含水率达到7.0%基本达到稳定。峰值应变与峰值强度变化趋势相同，在约6%的含水率时基
13、本保持不变。可知工作面煤体含水率应在5.5%7.0%内，即在保证煤壁有一定的抗压强度的同时满足高强度塑性要求。2.2不同含水率抗剪强度本文的实验设计了5组不同含水率松软煤层煤样的剪切实验，松软煤层煤样含水率分别为1.0%、2.5%、4.0%、5.5%和7.0%，为保证数据的有效性，每组含水率煤样各3个，共计15个煤样。不同松软煤层煤样含水率条件下抗剪强度实验获得的煤样黏聚力、内摩擦角与含水率的关系如表1所示。表1不同含水率煤样黏聚力与内摩擦角不同含水率松软煤层煤样的剪切试验表明，在加载的过程中松软煤层煤样经历了4个阶段，分别为孔隙裂隙压密阶段、弹性阶段、破裂阶段及破坏阶段，在松软煤层煤样开始加
14、载时期，松软煤层煤样剪应力-应变的曲线斜率逐渐增大，松软煤层煤样剪切模量也逐渐增大；实验过程中随着剪应力的增大，剪应力-剪应变近似表现出一次线性增长关系。此时，松软煤层煤样的剪切模量可作为常数；随后，加载力继续增大，剪应力-剪应变表现出非线性曲线增长关系，松软煤层煤样剪应力-应变的曲线斜率减小，直至达到峰值剪切强度时，松软煤层煤样发生剪切破坏。由表1可知，当松软煤层煤样的含水率为1.0%峰值应变10-3含水率/%1.02.54.05.57.0黏聚力/MPa0.0520.0580.0670.1180.105内摩擦角/（）23262933320.90.80.70.602468含水率/峰值应力/MP
15、a242118151296302468含水率/第42卷第02期Vol.42 No.02水-胶共同作用下松软厚煤层煤壁片帮防治研究郭佳，等95时，其黏聚力为0.052 MPa，内摩擦角为23；当松软煤层煤样含水率为5.5%时，其黏聚力为0.118 MPa，内摩擦角为33，黏聚力增大了1.27倍，内摩擦角增加了43.5%，表明松软煤层煤样的黏聚力随含水率增加而增加，且黏聚力对煤样抗剪强度的影响更大；当松软煤层煤样含水率增加到7.0%时，其黏聚力和内摩擦角均有所下降，说明松软煤层含水率在7.0%以内增加会增强煤壁的抗剪强度，如果含水率过大，反而会降低煤体的抗剪强度。3不同硅溶胶含量煤样力学特征3.1
16、单轴抗压强度由于硅溶胶的浓度、质量、凝胶时间直接影响煤体的单轴抗压强度，因此，设计了正交实验，研究不同浓度、不同质量、不同凝结时间的硅溶胶对煤体强度的影响规律。将制作好的煤样放置在常温环境中静置不同时间（2、4、8、16 h），然后开展压缩实验（单轴），实验结果如表2所示。表2不同因素条件下煤体抗压强度由表2可知，随着硅溶胶浓度的增加，煤体单向抗压强度随之增加，硅溶胶浓度由0增加到10%时，煤体单向抗压强度增加了10.3%，硅溶胶浓度增加到20%时，煤体单向抗压强度增加幅度最大，增加了18.6%；随着硅溶胶质量的增加，煤体单向抗压强度随之增加，硅溶胶质量由15 g增加到20 g时，煤体单向抗压强度增加了6.8%，硅溶胶质量增加到30 g时，煤体单向抗压强度增加幅度最大，增加了50%；随着硅溶胶凝结时间的增加，煤体单向抗压强度随之增加，硅溶胶凝结时间由2 h增加到4 h时，煤体单向抗压强度增加了4.4%，硅溶胶凝结时间增加到16 h时，煤体单向抗压强度增加幅度最大，增加了29.4%。根据煤体单向抗压强度增加幅度可知，硅溶胶凝结时间为28 h时，煤体单向抗压强度增加缓慢，表明水分降低缓慢，