软煤层大采高工作面煤壁片帮机理与控制

贾文安

（1.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原030024；2.潞安集团余吾煤业公司，山西 长治046103）

大采高综采技术具有回采率高、含矸率低、粉尘少、管理和操作简单等诸多优点，然而应用该技术的关键是煤壁片帮能够得到有效控制〔1〕。开采实践和理论研究表明：随着采高增加，煤壁更容易片帮；松软大采高工作面煤壁片帮概率较普通工作面更大〔2－3〕。软煤层大采高工作面煤壁片帮后，采场顶板进一步恶化，液压支架受力失衡，导致支架—围岩关系不平衡而引起采面顶板冒漏，这样容易造成综采设备无法发挥其性能，对采场安全造成严重威胁。因此，研究煤壁片帮机理与控制对于提高软煤层大采高工作面的安全、高产和高效开采具有重要意义。

1 工作面概况

3201工作面是山西某矿二采区的首采工作面，该工作面西部为东翼回风、运输和轨道下山，南部和东部为实体煤，北部为正在掘进的3203工作面。该工作面所采煤层为山西组3号煤层，工作面范围内煤层厚度为4.8～6.4 m，平均为5.6m；煤层倾角为3°～14°，平均为7.5°；煤层主要呈线理状和厚层状，局部可见块状结构和条带状，煤层节理裂隙较发育，但发育密度和规则性不够明显。工作面顶板岩层结构较复杂，直接顶为均厚8.4m的炭质泥岩～砂质泥岩～煤线～炭质泥岩，基本顶为均厚12.6m的粗粒砂岩～砂质泥岩～粉砂岩，直接底为均厚4.6m的炭质泥岩～砂质泥岩，基本底为均厚7.5m的砂质泥岩～粗粒砂岩；工作面顶底板结构复杂，泥岩较破碎，整体岩性强度较弱，尤其是底板前部岩层破碎严重。工作面采用大采高综合机械化开采，设计可采走向长度和倾向长度分别为1640m和220m，所用液压支架型号为ZY12000／28／62D，工作面沿顶、底板推进，采用四六作业制度。

2 煤壁片帮机理研究

2.1 理论分析

理论认为，井巷围岩失衡根本原因均是矿山压力作用结果，煤壁片帮作为一种特殊的围岩破坏形式，是由于工作面开挖和回采破坏了其原有的三向应力平衡状态，造成煤壁煤体水平应力降低和消失，从而使其处于二向甚至单向应力状态，作用在煤壁上方垂直应力迅速增大，破坏了煤体的完整性，在围岩应力和工程扰动作用下最终导致煤壁片帮〔4〕。软煤层大采高工作面采高较大，煤质松软，煤壁承载能力和自稳性更差，当煤体上方支承压力强度超过煤体强度时，便会引起煤壁表面破坏，进而导致片帮现象发生。

2.2 数值模拟研究

煤科总院学者宁宇在研究煤壁片帮机理时应用三维数值模拟方法，模拟结果见图1－a〔5〕。由图1－a可知，工作面煤壁所受主应力在各位置均不同，在煤壁中部所受主应力基本垂直，上部和下部煤体主应力分别偏向煤壁前方和采空区侧；煤壁煤体所受顶底板压力对称分布，所受水平外力等值反向。将图1－a进行简化，可将工作面煤壁表面煤体假设为上端简支、下端固支的压杆模型，模型示意见图1－b。当对煤体压杆模型进行分析，压杆弹簧刚度较大时，杆体的端部不会发生偏移；若压杆保持平衡，则两端存在水平反力M0x／h。取x截面的形心为中心建立力矩平衡方程，可得〔5〕：

式中：M为x截面形心弯矩，Nm；Fp为工作面煤壁所受垂直应力，N；ω为工作面煤壁挠度，m；M0为工作面煤壁固定端力矩，Nm；h为工作面平均采高，m。

利用微积分求 Wmax，考虑到边界条件，取x＝0.35h时Wmax＝1.37M0／Fp。由此可知，煤壁最大变形点位于距工作面顶板0.35倍采高处。片帮机理为：在采动应力影响下，工作面煤壁煤体首先发生较小的挠曲形变，随着挠曲程度的不断加大，煤壁煤体在距顶板0.35倍采高处首先出现失稳，随之煤体出现整体失稳、破裂和冒落〔5〕。

图1 工作面煤壁表面煤体数值模拟及压杆模型

2.3 片帮形式

由煤样实验室力学测试可知，3201工作面煤层整体表现较松软，煤体强度在不同空间层位相差较大，但总体强度较低。鉴于此可知，煤体的完整性较差，其内聚力较弱，在超前支承压力的影响下，容易促使煤层沿破裂面产生滑移，造成煤体拉应力相对增加。资料可知，煤体抗拉强度较低，当所受拉应力超过其抗拉强度时，煤体则会出现侧向拉裂现象，同时受到工程扰动、地质构造等多方面影响，最终导致煤壁出现多种形式片帮，3201工作面煤壁片帮形式见图2。现场观测和统计发现，随着工作面采高的不断增加，煤壁片帮程度逐渐加剧；在正常回采过程中，煤壁片帮多以（a）、（b）和（e）形式出现，分别占总片帮的54%和36%；在采煤机割煤过程中，煤机前方2m范围内片帮常以（c）形式出现，并偶而夹杂有顶板冒漏；在煤机过后，液压支架及时伸出闭帮板后，煤壁片帮程度较弱，多以（b）、（e）的形式出现，分别占总片帮的47%和38%；当工作面过地质构造带时，煤壁片帮形式多以（d）形式出现；在工作面来压期间，煤壁片帮形式较复杂，且片帮程度较严重，呈现连续性持续片帮现象。

图2 3201工作面煤壁片帮形式

3 煤壁片帮控制措施

从软煤层大采高片帮理论分析和数值模拟研究可知，大采高工作面的煤壁片帮是必然的，且采高越大、煤体越软，煤壁片帮程度越严重。结合3201工作面地质条件和物理围岩特性，提出几点控制片帮的举措：

（1）适当提高液压支架初撑力，使支护阻力不仅能够满足支撑顶板作用，又要能够缓解一部分煤壁压力，减少煤壁所受支承压力，确保工作面煤壁前方塑性区不会出现进一步扩大；

（2）在采煤机割煤过后，及时打开液压支架闭帮板，给予煤壁一定的水平应力，从而促使煤壁煤体由单向或者两向应力状态转变为三向应力状态，进而约束煤壁片帮程度和发生率；

（3）由于3201工作面围岩条件较差，应适当加快工作面回采速度，减少每一割煤循环的时间，从而可以相对的降低顶板下沉量，这样有利于对煤壁片帮进行控制；对综采设备中间休息时，尽量选择采高较低、顶板条件较好的地方停机，尽量避免片帮、冒顶伤人事故发生；

（4）当工作面过地质构造带时，煤壁煤体往往较破碎，这时可以利用锚杆或者化学浆液对煤壁进行加固；

（5）理论和实践发现，煤层注水可以有效提高煤体粘聚力和抗剪强度，从而达到预防煤壁片帮的目的，故可对3201工作面煤壁进行高压注水来预防煤壁片帮；

（6）加强工作面矿压观测，及时总结矿压显现规律，在来压前和来压期间根据实际情况采用合理的手段来预防片帮。

〔1〕杜云宽，范占锋，李学成 .浅探大采高工作面防片帮冒顶控制技术〔J〕.中州煤炭，2011，（7）：71－72.

〔2〕袁 永，屠世浩，王 瑛，等 .大采高综采技术的关键问题与对策探讨〔J〕.煤炭科学技术，2010，（1）：4－8.

〔3〕侯建国，白云虎，刘一博 .软煤大采高综采煤壁片帮机理与控制〔J〕.矿业安全与环保，2011，38（6）：22－24.

〔4〕白云虎，侯建国，刘一博 .大采高综采煤壁片帮机理与预防〔J〕.陕西煤炭，2011，（4）：31－33.

〔5〕宁 宇 .大采高综采煤壁片帮冒顶机理与控制技术〔J〕.煤炭学报，2009，34（1）：50－52.