試談綜采工作面煤壁片幫機理及防治技術(shù)

雷振華

摘要：本文主要分析了礦壓是如何造成煤壁片幫的，以及采用仰偽斜走向長壁式開采時，煤體自重是怎樣加速片幫的原因做出了力學(xué)分析。并對于片幫的防治提出了一些針對性措施。

關(guān)鍵詞：煤壁片幫；礦壓；煤體自重；仰偽斜；擋矸網(wǎng)

1、前言

煤體在未開采前，在自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場構(gòu)成的原巖應(yīng)力場作用下，煤體保持一個三向應(yīng)力相對平衡狀態(tài)。由于采動的影響破壞了原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，巖層形成了一個由“煤壁—工作面支架—采空區(qū)冒落矸石”的新的平衡體系。根據(jù)壓力拱假說可知，拱的一個支撐點在工作面前方煤壁。因此，煤體的支承壓力增大，而煤壁法向方向的應(yīng)力卻幾乎減小為零。平衡破壞后，煤體處于二向應(yīng)力狀態(tài)，其抗壓強度大大降低，煤體就會產(chǎn)生裂隙、離層逐漸破碎，從而造成了煤壁片幫。三匯一礦21203南工作面煤質(zhì)松軟、構(gòu)造頻繁且采用仰偽斜走向長壁式采煤法，這些因素都容易誘發(fā)煤壁片幫，而且因片幫還常常造成工作面端面處的頂板冒空。不僅給安全帶來了隱患而且影響了工作面的推進速度。因此，研究煤壁片幫的原因，對于安全和生產(chǎn)都具有極其重大的意義。

2、概況

三匯一礦21203南工作面位于+590m水平N2采區(qū)，介于10勘探線以北70m處，11勘探線以南286m處。該面傾斜長度為123m，走向長度為399m。該面上部為已回采的2112、2113工作面，下部為未開采區(qū)域；北部為正在準備的21203北綜采工作面，南部為已回采的N21201工作面。該采區(qū)內(nèi)的煤層厚度為0.9～3.0m，平均厚度1.93m，采用綜合機械化開采。由于工作面平均傾角達到33°，所以工作面采用仰偽斜走向長壁式采煤法，工作面長度為142.5m，機巷始終超前風(fēng)巷在20m～25m之間。

3、引發(fā)煤壁片幫主要原因分析

21203南工作面構(gòu)造頻繁，加之煤層自身產(chǎn)狀不穩(wěn)定、節(jié)理裂隙發(fā)育、煤質(zhì)比較松軟，經(jīng)常發(fā)生煤壁片幫，嚴重制約了安全生產(chǎn)。煤體發(fā)生片幫的原因是各種因素綜合作用的結(jié)果。煤體在礦壓和自重作用下就可能造成煤體內(nèi)部破壞從而形成了節(jié)理和裂隙，最終造成煤壁的片幫。可以說，煤體礦壓和自重是造成煤壁片幫的主要兩個因素。當然，它們對片幫的影響并不是獨立存在的，這里只是為了分析方便才將其單獨列出分析。

3.1 煤體在礦壓下的的受壓破壞

在“煤壁—工作面支架—采空區(qū)冒落矸石”的支撐體系中，煤體承載著上方懸落巖層的大部分重量。如圖（1）所示，煤壁附近的壓力相對較小，應(yīng)力的大小也隨著前方煤體與煤壁的距離增加而近似呈線性增長，直到達到應(yīng)力峰值。由于應(yīng)力峰值前方的煤體區(qū)域距離煤壁距離過遠，對煤壁片幫的影響相當有限。所以，對于峰值前方的煤體對煤壁片幫的作用暫不作分析。煤體自重相對于礦壓在垂直于煤層方向的作用力甚乎其微，因此也可以排除其影響。

煤體在上覆離層巖層的重力作用下，煤體內(nèi)部會發(fā)生彈性形變和塑性形變，而彈性變形的表現(xiàn)形式就是煤壁片幫。由圖（1）知，煤壁相對于前方煤體所承受的應(yīng)力要低很多，所以，就會造成煤壁附近的變形量遠小于煤壁前方煤體的變形量。由于煤壁和前方煤體的向工作面的彎曲程度不同，從而造成了煤壁附近煤體與前方煤體產(chǎn)生新的節(jié)理、裂隙、離層，最終導(dǎo)致煤壁發(fā)生片幫。如圖（2）所示。

3.2 仰斜開采煤壁片幫的重力影向

21203南工作面由于傾角過大，出于對綜采設(shè)備的防滑、防倒的考慮，將工作面布置為仰偽斜走向長壁式開采。但是這種布置方式卻使煤壁更容易片幫。

根據(jù)圖（1）知，煤壁附近所受的應(yīng)力相對較底，因此，可暫不考慮礦壓在煤層傾斜方向?qū)γ罕谄瑤偷挠绊憽?/p>

煤體自重在煤層傾斜方向的作用力，是誘發(fā)煤壁片幫的一個重要因素。如圖（3）所示，煤層因重力作用，在煤層真傾斜方向有一分力Gsinα。又如圖（4）所示，重力分力Gsinα對于機巷A點形成一個力矩M。當煤體松軟或者出現(xiàn)裂隙、節(jié)理等造成內(nèi)聚力不足以與力矩M相平衡時，就會造成煤壁的煤體旋轉(zhuǎn)失穩(wěn)脫落，也就是煤壁發(fā)生片幫。

4、煤壁片幫的預(yù)防措施

4.1 工作面的推進速度

加快工作面的推進速度，可以減少支承壓力對煤體的作用時間從而可以緩解煤壁的片幫程度。21203南工作面屬于瓦斯突出危險性煤層。因此，必須對其先抽后采，這就嚴重制約了工作面的推進速度。但是，這是防治瓦斯突出的必要措施；所以，就只能從提高綜采設(shè)備的可靠性、開機率方面著手預(yù)防。因此，必須加強對綜采設(shè)備的管理，及時排查消除機電設(shè)備隱患，所有設(shè)備必須達到機電完好標準，否則不得使用。所有電器設(shè)備，綜機設(shè)備實行包機維護、檢修管理，保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。從而減少因機電設(shè)備事故導(dǎo)致工作面停止推進，引起片幫掉頂事故的發(fā)生。

4.2 支架的支護管理

液壓支架合理的工作阻力可以減小頂板對煤體的壓力，從而減輕煤壁的片幫。因此，必須確保工作面的所有支架都達到初撐力，并保證其正常接頂。生產(chǎn)過程中必須重視對液壓系統(tǒng)的管理維護，保證泵壓達到30MPa，否則嚴禁升降支架。

液壓支架對頂板和煤壁的及時支護也能很大程度的減少煤壁片幫。當割煤機通過后，支架必須及時伸出前探梁對新暴露出來的頂板進行支護，并打開護煤板撐住煤壁。護煤板對煤壁施加一個側(cè)向力，不僅可以防治一些已經(jīng)松動的煤塊受重力影響而脫落，而且使煤體重新回到三向應(yīng)力狀態(tài)，從而提高了煤體的抗壓強度，也就從源頭上減少了煤壁片幫的可能性。

4.3 高分子檔矸網(wǎng)的使用

21203南工作面在走向和傾向上都使用了一種高分子擋矸網(wǎng)。這種網(wǎng)不僅柔性好而且韌性高，所以運輸、儲存、使用都很方便，而且對動能較大的煤矸具有很好的緩沖效果。擋矸網(wǎng)的使用對因煤壁片幫、割煤機甩煤、工作面冒頂?shù)让喉窛L落傷人事故起到了一定的防治作用。但是，當工作面打排放、效檢或是設(shè)備檢修、清理浮煤時，都要將擋矸網(wǎng)卸下進行作業(yè)；然而，當工人作業(yè)完畢后由于種種原因，經(jīng)常沒能將擋矸網(wǎng)恢復(fù)掛好，這無疑給安全生產(chǎn)帶來了隱患。所以，必須加強對員工的管理和教育，必要時可以采取一些經(jīng)濟上的處罰。

5、結(jié)語

導(dǎo)致煤壁片幫的因素多種多樣，但是不外乎兩種主要因素：內(nèi)因和外因。內(nèi)因包括煤體所受到的原巖應(yīng)力情況、煤層的賦存條件和煤體本身的力學(xué)性質(zhì)等特征。這些因素導(dǎo)致的煤壁片幫，都是我們?nèi)藶闊o法改變或者很難作出改變的事實。所謂的外因就是因人工開采方式、人為失誤等人為因素造成的煤壁片幫，我們完全可以通過調(diào)整或者優(yōu)化開采方式和工作面的管理來防治煤壁片幫。

參考文獻

[1] 《巖石力學(xué)與工程》 蔡美峰 主編 北京：科學(xué)出版社 2002

[2] 《礦山壓力與巖層控制》 錢鳴高 石平五 主編 中國礦業(yè)大學(xué)出版社 2003endprint