綜放工作面煤壁片幫機理分析與控制

胡躍青

（山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100）

綜放工作面是我國厚煤層開采的重要方法，是提高礦井集約化生產(chǎn)和工作面高產(chǎn)高效的重要途徑［1］。鋪龍灣煤礦4#煤層綜放工作面所采煤層普遍較厚，受到地質(zhì)構(gòu)造、煤巖特性、回采工藝等多方面的影響，在回采過程中片幫嚴重，嚴重的制約了工作面的安全高效開采。為了提高工作面回采效率，降低因片幫引起的停車時長，決定以4103綜放工作面為研究對象對4#煤層綜放工作面的煤壁片幫機理進行研究，并根據(jù)實際提出煤壁片幫控制措施。

1 工作面概況

鋪龍灣煤礦4103工作面位于礦井四一采區(qū)，北部為4102工作面采空區(qū)，南部為4105、4106設(shè)計工作面，西部和東部分別為施家窯村保安煤柱和礦界保安煤柱。工作面所采煤層為4#煤層，煤層平均厚度為5.6m，傾角為3°，煤層硬度f=3，中部含有厚0.1～0.4 m的夾矸，煤層整體呈一背斜構(gòu)造，屬于穩(wěn)定可采厚煤層。4103工作面設(shè)計走向長度為828m，傾斜長度為46.8～120 m，直接頂為均厚15.8 m的泥巖～砂質(zhì)泥巖～細粒砂巖，基本頂為均厚12.7m的中粗粒砂巖，直接底為均厚1.7 m的泥巖。工作面采用放頂煤開采，回采高度2.6 m，放煤高度3m，采放比為1∶1.15，所用支架型號為ZF6400/18/28，支架額定工作阻力和額定初撐力分別為6400kN和5232kN。4103工作面兩巷掘進期間共揭露正斷層15條，其中落差超過1m的共8條，最大斷層落差為24 m，對工作面回采影響較大。

2 片幫形式和機理分析

4103工作面回采期間，煤壁片幫局部較為嚴重，尤其是工作面來壓期間、過構(gòu)造帶時，煤壁片幫有加劇現(xiàn)象。現(xiàn)場觀測分析可知，工作面煤壁片幫主要有拉裂式片幫、剪切式片幫和重力影響式片幫三種，見圖1。拉裂式片幫是4103工作面片幫的主要形式，約占片幫統(tǒng)計的60%以上，引起拉裂片幫的主要原因是在頂板壓力作用下煤壁產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，由于4#煤層硬度f=3，煤體變形較困難，該應(yīng)力無法通過煤體變形得以釋放，當(dāng)應(yīng)力超過煤體抗拉極限時煤壁便會出現(xiàn)拉裂破壞［2-3］。剪切式片幫主要發(fā)生在構(gòu)造帶附近煤體較軟的地帶，約占片幫統(tǒng)計的25%，引起剪切式片幫的主要原因是煤壁在頂板作用下，煤體內(nèi)產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，因煤體較軟，煤體會產(chǎn)生一定量的橫向蠕變進行應(yīng)力釋放，煤體內(nèi)部剪切力超過抗剪強度后即會出現(xiàn)剪切滑落破壞［4］。重力影響式片幫主要發(fā)生在煤層裂隙發(fā)育地帶，當(dāng)該部分煤體揭露后，在煤體自重的影響下，煤壁沿著裂隙面或者構(gòu)造面下滑片落引起煤壁片幫。

圖1 4103綜放工作面煤壁片幫主要形式

從4103工作面煤壁片幫形式和機理分析可知，無論何種煤壁片幫形式，其均與煤體性質(zhì)、應(yīng)力作用等因素有關(guān)，提高煤體強度、降低應(yīng)力影響均可一定程度的降低煤壁片幫率。

3 煤壁片幫影響因素

1）煤體特性：4103工作面所采4#煤硬度f=3，屬中硬煤層，煤層塑形變化較小，但是局部受構(gòu)造帶、礦壓作用等影響，局部煤體裂隙發(fā)育，煤質(zhì)松軟，尤其是構(gòu)造影響范圍內(nèi)煤體甚至出現(xiàn)粉末狀。較硬煤體在巨大的頂板應(yīng)力作用下容易出現(xiàn)拉裂破壞，而裂隙發(fā)育的軟煤強度較低，整體性較差，自穩(wěn)定能力弱，在外力擾動或者應(yīng)力作用下容易沿著裂隙面或構(gòu)造面出現(xiàn)片幫破壞。

2）超前支承壓力作用：4103工作面煤層均厚5.6 m，理論認為，煤層越厚、煤質(zhì)越軟，煤體所受超前支承壓力影響范圍越大，越容易造成煤體片幫和頂板失穩(wěn)。對于綜放工作面而言，放頂煤后，頂板支承壓力增加，促使煤體運移量和破碎程度進一步加劇，容易造成支架端頭冒漏并誘發(fā)煤壁片幫。

3）支護狀態(tài)：支架初撐力能夠給予頂板主動支護作用，降低頂板對煤體的壓力，而4103工作面支架初撐力統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，所統(tǒng)計支架初撐力平均為2165 kN，僅為額定初撐力的41.4%，且存在支架不接頂現(xiàn)象，這樣頂板壓力大部分作用于煤體造成煤體出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。另外，采煤機過后，拉架不及時造成端面空頂范圍大、空頂時間長，誘發(fā)端面頂煤、頂板冒漏和煤壁片幫，而處理冒頂和片幫又會進一步延長端頭無支護時間，造成超前支承壓力影響時間增加，進一步促使煤壁和頂煤破碎，引發(fā)頂板、頂煤冒漏和片幫惡性循環(huán)。

4）割煤高度：理論和實踐研究表明，隨著工作面回采高度的增加，煤壁片幫呈加劇趨勢，在4101和4103工作面進行了不同采高試驗，在相同條件下，采高為2.2 m、2.4 m、2.6 m、2.8 m、3.0 m、3.2 m和3.4m時，煤壁片幫率分別為2.9%、4.6%、7.2%、11.1%、15.2%、20.1%和29.8%。因此，合理控制采高是確保降低工作面片幫的重要途徑。

另外，回采速度越小，煤體受超前支承壓力作用時間越長，端頭空頂時間越長，越不利于控制片幫；工作面來壓期間煤壁片幫要明顯比非來壓期間劇烈。

4 煤壁片幫控制措施

1）在過構(gòu)造帶期間，若煤體明顯變軟易碎，可向煤壁打設(shè)木錨桿或進行化學(xué)注漿進行加固，4103工作面在過斷層期間，主要采用注漿加固，漿液選擇馬麗散，馬麗散進入煤體裂隙后能夠有效將碎裂的煤體和巖體粘合在一起，提高煤巖體的強度，可有效防治片幫。

2）合理選擇拉架方式，煤機過后及時拉架并伸開護幫板進行護幫護頂，在遇到煤壁片幫、頂板冒漏時及時拉超前架，拉架后要求適當(dāng)提高升架時間，確保支架初撐力符合規(guī)定，能夠給予頂板及時、主動的有效支護力，降低頂板和頂煤對煤體的壓力。

3）考慮到隨著采高增加，煤壁片幫率和頂板冒漏率都會一定程度的增加，因此，合理控制采高，嚴禁超高采煤，確保支架頂梁接頂效果。根據(jù)4#煤層煤巖特性和所用支架型號，4103工作面采高不應(yīng)超過2.6 m。

4）重視礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和特征，在來壓前及時進行煤壁維護，避免因來壓造成煤壁大范圍片幫和頂板、頂煤冒漏。加強煤壁注水管理，通過煤壁注水可提高煤體的濕潤度和黏度，可有效提高煤體的可塑性，同時還有利于降低煤塵。4103工作面采用淺孔注水，注水孔距為6m，深6 m，注水壓力要求不低于5 MPa，注水停止時間以滲出煤壁為準(zhǔn)。適當(dāng)?shù)奶岣呋夭伤俣?，降低超前支承壓力和來壓時對煤體的影響時間，有利于減少片幫率。

圖2 4103工作面頂板、頂煤冒漏和片幫支護

5）4103工作面出現(xiàn)頂煤、頂板冒漏和煤壁片幫時，現(xiàn)場一般采用架設(shè)傾向棚子來進行護幫和護頂，見圖2。在進行架設(shè)傾向棚子時，首先將在頂板和煤壁較完整處的支架前梁頭上搭設(shè)傾向圓木或木板，然后將頂板、頂煤冒漏和片幫處的支架進行遷移，要求支架頂梁在傾斜圓木、木板下方，并升緊支架。對于煤壁片幫和冒漏較小的地帶直接拉超前架進行護頂和護幫即可。

5 結(jié)語

控制煤壁片幫是確保4#煤層綜放工作面安全高效開采的關(guān)鍵，在進行煤壁片幫控制時應(yīng)首先了解片幫的主要形式和產(chǎn)生機理，分析引起片幫的主要因素，只有這樣，才能有針對性的采取措施預(yù)防片幫。4103工作面通過采取控制采高、加固煤體等措施后煤壁片幫率得到了明顯的降低。因此，在進行片幫控制時，要積極主動，超前預(yù)防，盡量避免出現(xiàn)片幫冒頂后再去維護，否則不僅不利于提高回采效率，甚至還會引起安全事故。