采煤工作面煤壁片幫影響因素研究

齊文聚

（中國平煤神馬集團平煤股份八礦,河南 平頂山 467012）

尚未被開采的煤體，因其所處環(huán)境的應(yīng)力較為平衡，故而會顯現(xiàn)出某種連續(xù)性。煤體一旦被開采，會打破煤壁旁煤體原有的應(yīng)力平衡，大大降低了水平應(yīng)力，另外，在開采所帶來的支承壓力的作用之下，垂直應(yīng)力變得越來越大，以至于有裂隙以及節(jié)理出現(xiàn)于煤體之中，導(dǎo)致煤壁難以維持穩(wěn)定狀態(tài)。裂隙和節(jié)理最多的那部分煤壁會首先遭到破壞，等到支承壓力增加到某個值之后，煤體受到的破壞更為嚴重，最終產(chǎn)生煤壁片幫。

1 對采煤工作面煤壁片幫相關(guān)計算模型進行建立

1.1 計算模型的尺寸和邊界標(biāo)準(zhǔn)

為了達到降低模型邊界效應(yīng)的目的，將計算模型的長度和高度分別定為80m和50m,將模型的邊界設(shè)置于開采不能影響的區(qū)域，采煤工作面應(yīng)該處于模型的中央位置，另外，還應(yīng)該把計算模型的邊界盡可能的設(shè)置在支撐壓力不能影響到的位置，假設(shè)計算模型兩側(cè)單純只有垂直位移存在，而沒有水平位移，并且假設(shè)存于計算模型底邊的巖層既沒有水平位移也沒有垂直位移。依據(jù)采高高低對計算模型的高度進行調(diào)整，同時，需要保證煤層中頂、底板所具有的性質(zhì)以及厚度均不發(fā)生變化。

1.2 計算模型所具有的力學(xué)參數(shù)

煤體所具有的性質(zhì)、采高以及采深是進行模擬時重點考慮的幾個因素。將單因素分析方法作為實驗方法，煤層所具有的抗變形能力即為煤體硬度，可以利用煤層彈性模量來表示，在進行模擬的過程中，將煤層所具有的彈性模量依次設(shè)為0.4e9， 0.6e9，0.8e9，1 e9，1.2 e9，1.4 e9，1.6e9,1.8e9MPa；將采高依次設(shè)為2,3 ,4 ,5 m；將采深依次設(shè)置為200,300,400,500,600,700,800,900m.對不同因素所具有的默認值可作如下設(shè)置：煤體彈性模量的默認值是1e9，采高默認值是3m,采深默認值是500m。

2 采煤工作面煤壁片幫影響因素

2.1 采高

在進行實際的采煤工作過程中，如果工作面所具有的采高增加，那么工作面上的頂板壓力也會變大，同時存于煤壁前方的支承應(yīng)力也會更為集中，從而使煤壁片幫現(xiàn)象更為嚴重[1]。實踐表明，煤體片幫所具有的深度與采高之間呈正比例關(guān)系，因為煤壁片幫問題在采煤工作面上非常嚴重，所以使用特定手段對煤壁進行加固顯得勢在必行，出于這個原因，采煤作業(yè)的工作量大大增加，增加了生產(chǎn)成本。

2.2 支架工作阻力

支架工作中的阻力也是影響煤壁片幫的一個因素，相關(guān)研究表明，煤壁片幫同支架工作阻力間存在的聯(lián)系可以用下面的公式表明：

其中，C表示煤壁片幫所具有的深度;Pm表示支架所具有的工作阻力的最大值。

研究表明，支架阻力越大，煤壁片幫所具有的深度就越小，因此，對支架阻力進行擴大，能夠使煤壁保持更好的狀態(tài)，在排除有其他條件干擾的前提下，支架所具有的工作阻力如果達到每架5.01MN，會有效改善煤壁片幫問題，使煤壁更加完整。

2.3 煤體的破裂角和節(jié)理面傾角

煤層頂板會對煤壁造成壓縮，由于頂板具有周期性垮落的特性，加之超前支承壓力的推動，位于采煤工作面前方的煤體會出現(xiàn)較多裂隙。在圍巖壓力保持不變的前提下，如果節(jié)理面傾角變大，那么煤體則會受到更大破壞?？墒瞧屏衙嫱?jié)理面如果是平行的話，那么垂直應(yīng)力將對破壞部分進行作用，以至于節(jié)理面閉合，另外有一定的摩擦力存于節(jié)理面間，使得煤體還能夠?qū)Σ糠趾奢d加以承受，此時通常不會有煤壁片幫出現(xiàn)[2]。相應(yīng)的，破裂面同節(jié)理面并非平行關(guān)系而是存在夾角的話，那么它們二者就會出現(xiàn)相割狀況，這樣支承壓力高峰區(qū)所具有的煤體將有可能產(chǎn)生塊狀結(jié)構(gòu)，加之于煤壁前方自由面的存在，受到水平拉應(yīng)力作用，煤體會被塊狀煤體擠出，以至于出現(xiàn)煤壁片幫。

2.4 老頂回轉(zhuǎn)角因素

在對工作面進行推進時，周期性的運動會出現(xiàn)于老頂之上，那些已經(jīng)破壞的巖塊會出現(xiàn)回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的問題，以至于采煤工作面所具有的頂板大幅度下沉，進而使頂出現(xiàn)變形甚至破斷問題。因為，老頂所具有的回轉(zhuǎn)角會有所差異，因此，出現(xiàn)于直接頂上面的拉斷區(qū)和壓縮塑性變形區(qū)會有很大不同[3]。把在轉(zhuǎn)角一樣時，出現(xiàn)于老頂之上的破壞區(qū)進行連接，從而得出老頂回轉(zhuǎn)作用于直接頂所出現(xiàn)的剪切破壞帶，剪切破壞帶所在位置同老頂出現(xiàn)斷裂的位置存在很大聯(lián)系，值得注意的一點是，煤壁能否有片冒下來，直接受破壞區(qū)中巖體所具有的塊度和排列狀態(tài)影響，而斷面位置上煤體所具有的塊度又受裂隙密度影響。

上述分析表明，受到支承壓力的作用，位于塑性破壞區(qū)之中的煤體，由于老頂回轉(zhuǎn)使得頂煤出現(xiàn)位移，與此同時，由于節(jié)理面同剪切破壞帶具有一致的方向，因此，采煤工作面前方位置上的煤體會表現(xiàn)出碎裂塊體的狀態(tài)，在這樣的情況下，煤體所具有的抗剪能力會大幅度減弱，此時，煤體節(jié)理面所具有的傾角一旦擴大，并且兩面間的摩擦力縮小的話，將很難實現(xiàn)對煤壁的控制。

2.5 停采時間

研究表明，頂板出現(xiàn)的下沉量同停采時間呈正比例關(guān)系，頂板出現(xiàn)的下沉量會隨著停采時間的增長而不斷變大[4]。與此同時，節(jié)理面是很難實現(xiàn)絕對平整的，如果兩個節(jié)理面具有的相對位移量比較小的話，由于凹凸不平處具有的相互咬合作用，存于兩面間的摩擦力會不斷增強，如果，兩個節(jié)理面間產(chǎn)生很大的位移量時，采煤工作面中就會有臺階下沉問題出現(xiàn)，煤壁片幫情況會非常嚴重，這表面，一旦停止對采煤工作面進行推進，則會有煤壁片幫出現(xiàn)。

3 結(jié)束語

綜上所述，煤壁片幫是存于采煤作業(yè)過程中的一個重要問題，很多因素都會導(dǎo)致這一問題的出現(xiàn)，本文對采高、支架工作阻力以及停采時間等對煤壁片幫的影響進行了分析說明，相關(guān)單位及個人在進行采煤工作過程中應(yīng)該重點考慮上述問題并能夠采取相應(yīng)的解決手段，促進采煤工作的順利實施。

[1]溫運峰，高永格，蔡振禹.厚煤層綜采面煤壁片幫冒頂嚴重的原因分析[J].河北建筑利技學(xué)院學(xué)報，2011(12):69-71.

[2]尹希文，門少宏，安宇.用“壓桿”理論分析大采高綜采面煤壁片幫特征[J].采礦與安全工程學(xué)報,2012(02):222-225.

[3]王家臣.極軟厚煤層煤壁片幫與防治機理[J].煤炭學(xué)報，2011,32(08):785-788.

[4]王金華.綜放開采是解決厚煤層開采難題的有效途徑[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013(02):1-6.