淺埋大采高綜采工作面煤壁片幫控制研究

宋沛鑫

【摘 要】 本文針對(duì)山西某礦大采高綜采工作面煤壁片幫嚴(yán)重的問(wèn)題，分析了大采高綜放工作面煤壁片幫現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理及影響煤壁片幫的因素，并結(jié)合該礦淺埋2#煤層的生產(chǎn)地質(zhì)條件，得到如下結(jié)論：當(dāng)煤層開(kāi)采期間，煤巖層由平衡狀態(tài)-非平衡狀態(tài)-平衡狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，當(dāng)煤壁應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到或超過(guò)其極限應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，煤壁片幫現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生，而影響煤壁片幫的主要因素包括煤層及頂板巖層特征、開(kāi)采技術(shù)指標(biāo)、支架?chē)鷰r關(guān)系，因此通過(guò)改進(jìn)大采高綜采工作面中液壓支架和對(duì)工作面煤壁進(jìn)行加固可以對(duì)煤壁片幫現(xiàn)象的發(fā)生進(jìn)行控制。

【關(guān)鍵詞】 淺埋煤層;大采高;綜采;煤壁片幫

【中圖分類(lèi)號(hào)】 TD32 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2019）04-0032-03 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1引言

煤壁片幫的出現(xiàn)往往會(huì)造成生產(chǎn)工作面操作人員的傷亡、礦井重要生產(chǎn)設(shè)備的損壞，另外，工作面煤壁出現(xiàn)片幫還會(huì)導(dǎo)致前方煤壁附近出現(xiàn)直接頂巖層的大面積冒落，威脅到礦井生產(chǎn)工作面的人員安全、設(shè)備可靠性等問(wèn)題。因此，合理有效地控制好煤壁片幫問(wèn)題的發(fā)生，將減少生產(chǎn)工作面內(nèi)液壓支架倒歪現(xiàn)象的加劇，緩和工作面內(nèi)液壓支架與煤層頂?shù)装鍘r層的相互關(guān)系，避免綜采工作面出現(xiàn)頂板事故。淺埋煤層存在煤層賦存深度和基巖厚度都比較小的特點(diǎn)，煤壁片幫異于深埋煤層。因此，對(duì)淺埋煤層煤壁片幫進(jìn)行研究不僅對(duì)淺埋煤層生產(chǎn)工作面的生產(chǎn)效率起到關(guān)鍵性作用，同時(shí)也有助于對(duì)淺埋煤層生產(chǎn)工作面的安全生產(chǎn)提供重要保障。

2工程概況

某礦當(dāng)前主采2#煤層，厚度為6.36m，埋深約為180m。28403為大采高綜合機(jī)械化采煤工作面，28403大采高綜采工作面的煤巖層綜合柱狀圖如圖1所示。2#煤層頂板巖層為強(qiáng)度相對(duì)較低的泥巖巖層和泥質(zhì)砂巖巖層，煤層賦存的直接頂巖層為泥巖巖層，主要為泥質(zhì)構(gòu)造，其次包括少量細(xì)粒沙質(zhì)構(gòu)造，成分主要為石英和長(zhǎng)石，并含有大量的高嶺土成分，而基本頂巖層主要為中粒沙質(zhì)構(gòu)造，還包括部分泥質(zhì)構(gòu)造，主要成分則包括石英、長(zhǎng)石和少量高嶺土。

3煤壁片幫機(jī)理及其影響因素

3.1煤壁片幫機(jī)理

由于煤層在形成后存在明顯的不均勻特征，同時(shí)煤層的情況往往呈現(xiàn)出范圍分布的特點(diǎn)，即在很大程度上呈現(xiàn)出一定的連續(xù)性。在煤層形成后，地層處于三向應(yīng)力平衡狀態(tài)。在煤層的不斷開(kāi)挖過(guò)程中，由于開(kāi)采擾動(dòng)的作用，工作面前方煤壁原有的平衡狀態(tài)瞬間被破壞，三向平衡狀態(tài)瞬間轉(zhuǎn)變成為非平衡狀態(tài)，賦存在地殼中的煤巖層受到的垂直和水平應(yīng)力瞬間分別增大和減小，另外，煤巖體內(nèi)的水平和垂直應(yīng)力也會(huì)重新分布，并逐步達(dá)到新的平衡狀態(tài)。煤巖體內(nèi)的應(yīng)力在重新分布過(guò)程中，煤巖體內(nèi)在頂?shù)装逑嗷プ饔孟庐a(chǎn)生大量的次生節(jié)理和裂隙，節(jié)理和裂隙不斷發(fā)展、貫通，使得煤巖體的完整性受到影響，進(jìn)而導(dǎo)致工作面煤壁出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。

在煤層硬度較小或者煤層一次開(kāi)采高度較大的工作面中，煤壁出現(xiàn)片幫的現(xiàn)象更為嚴(yán)重，由于在此類(lèi)工作面中煤體的自穩(wěn)性和自承載能力均較差，在大采高綜采工作面中，工作面頂板所呈現(xiàn)出的礦山壓力異常劇烈，工作面前方煤壁內(nèi)煤體將會(huì)呈現(xiàn)出平衡狀態(tài)-非平衡狀態(tài)-平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，在煤壁受到的應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到或超過(guò)其極限應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，煤壁內(nèi)部節(jié)理和裂隙最為發(fā)育的位置優(yōu)先出現(xiàn)破碎和塌落，當(dāng)煤壁中煤體受到的應(yīng)力繼續(xù)增加時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)大范圍煤壁片幫現(xiàn)象。

3.2煤壁片幫影響因素

在淺埋大采高綜采工作面中，存在煤層開(kāi)采強(qiáng)度大、煤層開(kāi)采擾動(dòng)大、“三機(jī)”配套裝備功率大的特點(diǎn)，因此淺埋大采高綜采工作面出現(xiàn)煤壁片幫現(xiàn)象的可能性會(huì)更大、煤壁片幫范圍更大、片幫影響更嚴(yán)重，而煤壁片幫主要會(huì)受到煤層賦存條件、開(kāi)采技術(shù)條件及大采高綜采工作面支架狀態(tài)的影響。

（1）煤層及頂板巖層特征

在該淺埋大采高綜采工作面中，由于煤層頂板巖層及煤層均為軟弱巖層，且煤巖層的強(qiáng)度較低，同時(shí)煤層形成過(guò)程中在其內(nèi)部會(huì)形成大量的原生節(jié)理和裂隙，因此在大采高綜采工作面的開(kāi)采過(guò)程中，極易出現(xiàn)煤壁片幫的現(xiàn)象，同時(shí)由于煤層直接頂巖層強(qiáng)度低，煤壁的頻繁片幫將會(huì)在煤壁前方頂板巖層中出現(xiàn)大范圍的頂板破碎區(qū)，同時(shí)，在這些頂板破碎區(qū)中會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，將會(huì)繼續(xù)出現(xiàn)頂板的冒落和煤壁片幫，從而影響大采高綜采工作面的推進(jìn)。

（2）開(kāi)采技術(shù)指標(biāo)

大采高綜采工作面的推進(jìn)速度和煤層開(kāi)采的高度也會(huì)嚴(yán)重影響到煤壁片幫現(xiàn)象的出現(xiàn)。當(dāng)工作面推進(jìn)速度快時(shí)，煤壁前方出現(xiàn)空頂?shù)臅r(shí)間就越少，煤體直接頂巖層作用在煤體上的礦山壓力時(shí)間就越少，因此煤壁出現(xiàn)片幫的可能性較低。另外大采高綜采工作面中，由于煤層的開(kāi)采高度較大，煤層開(kāi)采的空間較大，因此在淺埋煤層中，煤層賦存深度較淺，且煤層開(kāi)采過(guò)后頂板巖層強(qiáng)度低，巖石的碎漲系數(shù)較小，這樣老頂及上覆巖層在礦山壓力的作用下不斷發(fā)生破斷并傳遞至大采高綜放工作面前方煤壁當(dāng)中，從而增加大采高綜放工作面前方的煤壁的頂板下沉量和壓力，同時(shí)煤壁前方也會(huì)形成新的次生節(jié)理和裂隙，進(jìn)而使得煤壁的完整性不斷遭到破壞、煤壁承載性能不斷降低，煤壁片幫現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性也進(jìn)一步增加。

（3）支架?chē)鷰r關(guān)系

工作面煤巖層與工作面內(nèi)的液壓支架的相互作用也會(huì)對(duì)大采高綜采工作面出現(xiàn)煤壁片幫的現(xiàn)象產(chǎn)生影響。當(dāng)大采高綜采工作面內(nèi)液壓支架的初撐力較低時(shí)，液壓支架頂梁無(wú)法與大采高綜采工作面直接頂巖層充分接觸，因此對(duì)頂板的有效支護(hù)不夠，使得大采高綜采工作面中基本頂巖層對(duì)工作面實(shí)施更大的頂板壓力，在淺埋大采高綜放工作面中，由于煤層賦存較淺，煤巖層強(qiáng)度較低，大采高綜采工作面中前方煤體無(wú)法與頂板壓力相抗衡，進(jìn)而出現(xiàn)煤壁片幫現(xiàn)象的發(fā)生。

4煤壁片幫的控制措施

（1）改進(jìn)工作面液壓支架

在大采高綜采工作面中，由于該礦煤層開(kāi)采高度達(dá)6.36m，在煤層的開(kāi)采擾動(dòng)下，工作面前方煤壁中次生節(jié)理和裂隙發(fā)育更為嚴(yán)重，次生節(jié)理和裂隙極其容易在煤壁中部和上部發(fā)育，因此需增加大采高綜采工作面中液壓支架護(hù)幫板的長(zhǎng)度，以此來(lái)控制工作面前方煤壁中次生節(jié)理和裂隙的發(fā)育，減小對(duì)大采高綜采工作面煤壁片幫現(xiàn)象發(fā)生的概率。其次提高工作面中液壓支架的初撐力，同時(shí)可以通過(guò)提高大采高綜采工作面的液壓系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性來(lái)實(shí)現(xiàn)，及時(shí)對(duì)工作面上覆頂板巖層進(jìn)行可靠支護(hù)，并保證液壓泵的壓力穩(wěn)定在30MPa。

（2）提前加固煤壁

由于煤層在賦存條件上存在大量的原生節(jié)理和裂隙，在大采高綜采工作面的開(kāi)采擾動(dòng)影響下，原生的節(jié)理和裂隙會(huì)繼續(xù)發(fā)育產(chǎn)生次生節(jié)理和裂隙。因此煤壁片幫現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性會(huì)進(jìn)一步增大，因此可以對(duì)大采高綜采工作面前方煤壁中、上部進(jìn)行加固，通過(guò)施加外部作用力控制煤壁片幫現(xiàn)象的出現(xiàn)。通過(guò)在煤壁內(nèi)部進(jìn)行臨時(shí)錨桿支護(hù)，常用的錨桿選用螺紋鋼樹(shù)脂錨桿，長(zhǎng)度一般為2000mm，直徑一般為18mm，錨桿臨時(shí)支護(hù)示意圖如圖2所示。

5結(jié)論

本文分析了大采高綜放工作面煤壁片幫現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理及其影響因素，并結(jié)合山西某礦淺埋2#煤層的生產(chǎn)地質(zhì)條件，提出相應(yīng)的控制煤壁片幫出現(xiàn)的措施，主要得到如下結(jié)論：

（1）煤壁片幫發(fā)生機(jī)理為煤巖層由平衡狀態(tài)-非平衡狀態(tài)-平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，當(dāng)煤壁應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到或超過(guò)其極限應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，煤壁片幫現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。

（2）影響煤壁片幫的主要因素包括煤層及頂板巖層特征、開(kāi)采技術(shù)指標(biāo)、支架?chē)鷰r關(guān)系，因此通過(guò)改進(jìn)大采高綜采工作面中液壓支架和對(duì)工作面煤壁進(jìn)行加固可以對(duì)煤壁片幫現(xiàn)象的發(fā)生進(jìn)行控制。

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