綜放工作面煤壁片幫與頂煤冒放關系及控制措施研究

張慧君

【摘 要】 針對綜放工作面煤壁片幫嚴重的問題，以山西某礦綜放工作面地質(zhì)條件為基礎，對比分析了綜放工作面與一次采全高工作面的煤壁片幫機理，得出綜放工作面頂煤放出后變相增加了工作面煤層的開采高度，并且綜放面推進速度的降低導致工作面煤壁裸露在外的時間加長，煤壁發(fā)生片幫的概率和片幫深度均比較大。根據(jù)該結論，從支架初撐力、頂梁結構以及護幫結構三方面對綜放工作面煤壁控制措施進行了研究，從而有效減弱工作面煤壁片幫情況，提高煤壁穩(wěn)定性。

【關鍵詞】 綜放工作面;煤壁片幫;冒放性;控制措施

【中圖分類號】 TD327.2 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）04-0029-03 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著科技水平的提高，礦井機械化生產(chǎn)水平也在不斷地提升，我國對于厚及特厚煤層多采用綜放開采方式，這種方法煤炭采出量大，開采效率高，目前在多數(shù)礦井均已普及。但隨著工作面煤炭采出量的增大，工作面煤壁出現(xiàn)片幫的現(xiàn)象也在加劇，這對礦井的安全生產(chǎn)影響較大。工作面煤壁片幫會受到多種因素的影響，目前國內(nèi)外對于工作面片幫的影響因素研究主要集中在采高，對綜放工作面頂煤冒放性與煤壁片幫的機理分析較少。本文以山西某礦綜放工作面地質(zhì)條件為基礎，采用理論分析與數(shù)值模擬的方法對綜放工作面煤壁片幫與頂煤的冒放性之間的關系進行了研究，研究結果可對現(xiàn)場工作面的生產(chǎn)起到一定的指導作用。

1 礦井概況

山西某礦開采煤層為3#煤，煤層厚度在9.4～19.5m范圍內(nèi)，平均為14.5m，煤層傾角平均為2°，煤體普氏系數(shù)為2.6～3.8，屬于中等強度煤體。礦井工作面采用綜放開采方式，工作面采高為4.0m，放煤高度為10.5m，工作面的采放比為1∶2.6。工作面直接頂巖層巖性為砂質(zhì)泥巖，基本頂巖層巖性包括細砂巖與粉砂巖，巖層強度較高。根據(jù)工作面開采過程中現(xiàn)場的礦壓觀測結果，工作面開采過程中煤壁片幫情況比較嚴重，特別是在工作面放煤環(huán)節(jié)，煤壁片幫體積與深度均較大。

2 綜放工作面片幫機理分析

2.1 綜放工作面煤壁破壞機理分析

對工作面煤壁片幫機理進行分析，工作面煤壁片幫形式主要包括兩類：

煤體沿滑移線發(fā)生剪切破壞。由于工作面開挖后，頂板巖層會產(chǎn)生向下運動的趨勢，并對煤壁產(chǎn)生剪切作用力，當該作用力大于煤體極限抗剪強度后，煤體將沿著θ=45°+φ/2（φ為內(nèi)摩擦角）的滑移面進行滑動，從而出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。

煤體發(fā)生拉伸失穩(wěn)破壞。工作面開采高度增大后，工作面開采產(chǎn)生的超前支撐壓力影響范圍將會增大，煤壁前方煤體由原來承受的壓應力逐漸轉(zhuǎn)化為拉應力，且拉應力影響區(qū)域也在增大，當煤體受到的拉應力大于其極限抗拉強度后，煤體將出現(xiàn)拉伸破壞。

由上述分析可知，煤壁片幫現(xiàn)象的發(fā)生主要取決于頂板對煤壁的載荷作用，一般頂板巖層對煤壁的載荷作用會隨著采高增大逐漸升高，為驗證這一點，在該礦井現(xiàn)場對工作面不同采高下煤壁的片幫情況進行了觀測，圖1為工作面煤壁片幫量與采高變化曲線。根據(jù)觀測結果，當工作面的機采高度增大后，煤壁發(fā)生的片幫現(xiàn)象逐漸加劇，片幫控制難度增大，特別是機采高度大于4.2m后，煤壁片幫量呈加速上升狀態(tài)。

上述分析主要針對煤層一次采出的情況，由于綜放工作面存在著放煤流程，因此煤壁片幫機理與普通大采高開采存在著一定的區(qū)別，為分析綜放工作面煤壁片幫機理，以該礦井工作面條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對其進行了對比分析。圖2為一次采全高開采方式和綜放開采方式下煤壁破壞示意圖。

從圖中可以看出，工作面在采用綜放開采方式下，支架上方煤體主要受到拉伸破壞，頂煤破壞呈現(xiàn)“匕首”形態(tài)，而煤壁前方煤體主要受到剪切破壞。對煤體的破壞區(qū)域分析可知，煤壁前方的塑性破壞區(qū)主要位于整個煤層開采后形成的塑性破壞區(qū)下方，塑性區(qū)大小不僅會受到工作面機采高度的影響，同時會受到頂煤冒放后產(chǎn)生的疊加影響。對比兩種開采方式下煤壁前方的塑性區(qū)深度，采用綜放開采時煤壁前方塑性區(qū)深度為3.1m，采用一次采全高時煤壁前方塑性區(qū)深度為2.4m，表明在機采高度相同的情況下，采用綜放開采時的煤壁塑性破壞區(qū)要明顯大于一次采全高方式，煤壁片幫程度更加嚴重。

2.2頂煤放出對煤壁片幫的影響機理分析

采用綜放開采方式，在支架頂梁的掩護作用下，頂煤會對煤壁前方煤體產(chǎn)生水平作用力，從而減小頂煤出現(xiàn)水平方向位移，如圖3所示。在工作面頂煤放出后，工作面煤壁會失去頂煤的水平作用力，此時工作面的煤壁高度等同于工作面機采高度與放煤高度之和，即工作面放煤后變相增加了工作面煤層的開采高度。此外，由于綜放開采下工作面的推進速度要低于一次采全高方式，導致工作面煤壁裸露在外的時間加長，因此采用綜放開采工作面煤壁發(fā)生片幫的概率和片幫深度均比較大。

由于綜放工作面頂煤的放出機理類似于煤壁片幫，兩者均是在礦山壓力作用下煤體破壞失穩(wěn)導致，因此可以將工作面頂煤的放出視為頂煤的“片幫”效應。從綜放工作面生產(chǎn)效率來看，頂煤的“片幫”效應越大，工作面生產(chǎn)效率和煤炭的采出量越大，但頂煤放出后煤層開采高度的增大會加劇煤壁片幫情況，因此頂煤放出與煤壁片幫存在著明顯的矛盾關系，尋找控制煤壁片幫現(xiàn)象但又能有效放出頂煤的技術措施十分關鍵。

3煤壁片幫控制措施研究

根據(jù)上述研究結果，本文提出從支架初撐力、頂梁結構以及護幫機構三方面來控制煤壁片幫現(xiàn)象，同時能夠有效放出頂煤。

3.1提高液壓支架初撐力

過去大量研究結果表明增大工作面液壓支架的初撐力可對煤壁片幫起到一定的控制作用，但工作面生產(chǎn)過程中支架的初撐力往往并不達標。為分析現(xiàn)場支架初撐力分布情況，對工作面各位置支架的初撐力進行了觀測，圖4為觀測結果。

從圖中可以看出，液壓支架在工作面推進過程中的平均初撐力大多小于8000kN，而支架的額定初撐力為12000kN，相對比支架工作時的初撐力明顯較低，表明支架并不能在接觸頂板時起到足夠的支撐作用，這也是導致煤壁出現(xiàn)片幫現(xiàn)象的原因之一，因此提高工作面液壓支架的初撐力可在一定程度上緩解煤壁片幫的情況，同時在頂煤放煤方面，也有利于支架對頂煤的破碎作用，提高放煤效率。

3.2改變支架頂梁結構

綜放工作面常用的液壓支架頂梁結構主要有兩類，包括整體頂梁結構和鉸接頂梁結構，采用整體頂梁結構的支架煤壁在水平方向的位移較小，頂煤對煤壁的作用力較小，并且支架在多次作用頂煤后，能夠?qū)斆浩鸬揭欢ǖ钠扑樽饔?，從而提高對頂煤的冒放效果?/p>

3.3選擇合理護幫結構

選擇合理的支架護幫結構能夠有效減少片幫現(xiàn)象的出現(xiàn)，對于綜放工作面，常用的液壓支架護幫結構主要有兩類，包括護幫板與伸縮梁連體結構、護幫板與伸縮梁分體結構，兩種護幫結構如圖5所示。

目前大多數(shù)綜放工作面液壓支架多采用連體結構，采用這類結構時，往往會導致伸縮梁無法與煤壁充分接觸，梁體結構僅對頂煤具有支撐作用，無法有效地控制煤壁的位移與變形。由于煤壁出現(xiàn)最大水平位移的位置約在0.65倍機采高度處，該位置煤壁應為主要控制點，但采用連體結構無法對該位置起到護幫作用。若采用分體結構，頂梁不僅可以對頂煤起到支撐作用，同時伸縮梁可對煤壁產(chǎn)生一個水平支護力，從而可以控制煤壁出現(xiàn)變形破壞，因此建議該礦井綜放工作面液壓支架采用護幫板與伸縮梁分體結構。

4結論

（1）對比分析了綜放工作面與一次采全高工作面的煤壁片幫機理，得出綜放工作面頂煤放出后變相增加了工作面煤層的開采高度，并且綜放面推進速度的降低導致工作面煤壁裸露在外的時間加長，因此采用綜放開采工作面煤壁發(fā)生片幫的概率和片幫深度均比較大。

（2）從支架初撐力、頂梁結構以及護幫結構三方面對綜放工作面煤壁控制措施進行了研究，從而采取合理措施有效減弱工作面煤壁片幫情況，提高煤壁穩(wěn)定性。

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