保利平山煤業(yè)大采高大傾角工作面片幫機(jī)理分析及應(yīng)對措施

楊 晨

（山西保利平山煤業(yè)股份有限公司）

保利平山煤業(yè)31016工作面設(shè)計(jì)面長為180 m，推進(jìn)長度為652 m，平均煤層厚度為4.2 m，可采儲量為66萬t，工作面煤層整體呈西底東高產(chǎn)狀，最大落差90 m；自切眼至停采線段仰采角度：0～310 m段平均角度為0～5°，310～540 m段平均角度為12°（其中回風(fēng)順槽為420～530 m段平均角度為16°，420～450 m達(dá)17°），540～652 m段平均角度為9°。因31016工作面回采至310～540 m時(shí)，仰采角度大于12°，在回采過程中，煤壁容易發(fā)生片幫。為避免煤壁片幫事故發(fā)生，對其進(jìn)行研究和治理。

1 片幫機(jī)理分析

1.1 煤的自身強(qiáng)度和支承壓力的影響

31016工作面煤層普氏系數(shù)1.0～1.5，根據(jù)巖石軟硬分類可知其強(qiáng)度不高，承受應(yīng)力能力較差。在煤層被不斷開挖的過程中，煤體的完整性遭到了破壞，內(nèi)部會產(chǎn)生裂隙和變形［1］，原有的強(qiáng)度會進(jìn)一步減弱。而且工作面受到的垂直應(yīng)力隨深度的加深而增大，31016工作面埋深將近650 m，離地面較遠(yuǎn)，則煤壁前方會產(chǎn)生非常大的支承壓力，其壓力分布情況見圖1。而工作面周期來壓更加會加劇應(yīng)力的集中［2］。

當(dāng)煤的自身強(qiáng)度減弱且遭受支承壓力過大時(shí)，煤壁的片幫幾率大大增加。如果煤體長時(shí)間處于這種狀態(tài)，不加以干涉，終會無法抵御所承受的壓力，發(fā)生破碎，造成片幫事故。因此，煤的自身強(qiáng)度和支承壓力是影響煤壁片幫一個(gè)不可忽視的因素。

1.2 仰采角度和采高的影響

煤壁片幫的形式大致可以分為2類，第1類是拉裂破壞，第2類是剪切破壞。其具體破壞情況見圖2。

第1類片幫的主要原因是頂板的力施加在煤壁時(shí)會出現(xiàn)橫向拉應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力無法轉(zhuǎn)移或消失，并且超出煤的抗拉強(qiáng)度時(shí)，煤體發(fā)生破碎；第2類片幫的主要原因是煤壁出現(xiàn)的橫向應(yīng)力由于煤的變形而轉(zhuǎn)移或消失，破壞形式發(fā)生了改變，在自身重力和頂板的壓力下發(fā)生了滑移。

分別對2種片幫情形進(jìn)行受力分析，并建立力學(xué)模型，通過推導(dǎo)化解得到以下計(jì)算片幫深度的公式［3-5］。以深度的大小來判斷片幫的嚴(yán)重程度。

（1）第1類情形最大破壞深度約為

式中，h為煤壁片幫深度，m；M為煤層厚度，m；α為煤層仰角，（°）；φ為煤層內(nèi)摩擦角，（°）。

（2）第2類情形最大破壞深度約為

由上面2個(gè)式子可以清楚的看到煤層仰采角度與煤壁破壞深度的定量關(guān)系。當(dāng)研究31016工作面煤壁片幫時(shí)，在不考慮煤的自身強(qiáng)度和支承壓力影響的情況下，保持煤層的厚度和內(nèi)摩擦角不變，自變量就只是煤層的仰角，則它們兩者存在正相關(guān)的關(guān)系，也就是說片幫深度隨仰角的增大而加深，即仰角越大片幫的程度越劇烈。31016工作面310～540 m段平均仰角為12°（其中回風(fēng)順槽420～530 m段平均仰角為16°，420～450 m達(dá)17°）。這個(gè)角度非常危險(xiǎn)，極易造成煤壁片幫事故，帶來極大的安全隱患，必須加以重視。

由上面2個(gè)式子還可以看出，煤層厚度與煤壁破壞深度的定量關(guān)系。當(dāng)研究31016工作面煤壁片幫時(shí)，在不考慮煤的自身強(qiáng)度和支承壓力影響的情況下，保持煤層的仰角和內(nèi)摩擦角不變，自變量就只是煤層的厚度，則它們兩者存在正比例的關(guān)系，也就是說片幫深度隨煤厚的增大而加深，即煤層厚度越厚片幫的程度越劇烈。31016工作面工作面采高4.95 m，煤壁承受頂板載荷很大，極易發(fā)生破碎，造成事故。

1.3 液壓支架的影響

液壓支架在開采過程中非常重要，它會和頂板、煤壁組合構(gòu)成力學(xué)整體，承擔(dān)起支護(hù)的作用，工作面示意圖見圖3。

其對片幫的影響可以概括為以下2點(diǎn)。

（1）31016工作面采高4.95 m，在開采過后會留下較大區(qū)域的采空區(qū)，而大面積頂板的下沉和回轉(zhuǎn)會改變受力狀態(tài)，造成應(yīng)力集中。而破壞往往發(fā)生在薄弱的環(huán)節(jié)，當(dāng)煤壁強(qiáng)度無法抵御所承受的壓力，煤壁發(fā)生破碎，造成片幫事故。

（2）如果液壓支架的初撐力不夠，支架對頂板的支護(hù)效果就變差，此時(shí)煤壁就要承擔(dān)多出來的這部分壓力，當(dāng)應(yīng)力超出煤壁的承受范圍時(shí)，將造成片幫事故。

2 片幫應(yīng)對措施

2.1 回采頂板管理

割煤時(shí)采取放緩割煤速度，追機(jī)拉架，少降快拉，帶壓擦頂移架，拉超前架的方式控制頂板，移架后及時(shí)打開護(hù)幫板；片幫后，及時(shí)拉超前架，端面距離大仍無法護(hù)頂時(shí)，及時(shí)將一級及二級護(hù)幫板打出，貼幫支護(hù)（根據(jù)頂板情況合理利用護(hù)幫板）。加強(qiáng)工作面支架檢修工作，支架要保證有足夠初撐力，保證初撐力不低于24 MPa，支架不漏液，不竄液、不自動卸載，支架升起后頂梁要升平、升緊。

2.2 注水泥漿

正常情況下，提前在巷道對工作面煤壁前方10～15 m范圍，進(jìn)行打孔注漿加固，采取深淺孔交替注漿工藝，深孔不小于10 m，淺孔不小于5 m、間距3 m，嚴(yán)重段注漿時(shí)需配合打設(shè)玻璃鋼錨桿進(jìn)行加固支護(hù)；對工作面三角區(qū)及煤壁片幫嚴(yán)重段加注高分子化學(xué)材料進(jìn)行加固，鉆孔沿煤壁側(cè)傾斜前上方頂板施工，一般鉆進(jìn)8～10 m（以鉆桿鉆進(jìn)頂板巖石以里0.5～1 m為宜），孔間距4 m，一般單孔注漿量40桶（1 t）。

2.3 防護(hù)網(wǎng)及煤機(jī)擋煤板

（1）當(dāng)仰角大于12°時(shí)，采用角鋼配合平焊鋼筋網(wǎng)焊成900 mm×1 200 mm防護(hù)網(wǎng)，固定在兩立柱中間，避免回采過程中可能發(fā)生的片幫煤滾落傷人事故。

（2）在采煤機(jī)機(jī)身上加裝擋煤板（自主加工），避免片幫煤從采煤機(jī)機(jī)身上方掉入支架內(nèi)傷人。

2.4 空頂段超前錨網(wǎng)支護(hù)

施工至仰角12°以上時(shí)，工作面煤壁與支架頂梁端面距大于0.6 m時(shí)，局部段因片幫導(dǎo)致頂梁伸縮梁伸出后不能有效接頂，需進(jìn)行有效支護(hù)，具體要求如下。

（1）當(dāng)超過規(guī)定500～1 000 mm范圍內(nèi)空頂時(shí)，采取支架頂部搭工字鋼梁超前支護(hù)措施。

（2）超過規(guī)定1 m范圍空頂時(shí)，必須采取單體柱臨時(shí)支護(hù)后，使用1 m工字鋼梁配合4 m長錨索聯(lián)合支護(hù)。

（3）頂板破碎時(shí)，需使用全螺紋鋼錨桿配合雙層菱形網(wǎng)貼頂進(jìn)行錨網(wǎng)索支護(hù)，隨后搭設(shè)工字鋼梁造設(shè)假頂，于頂板孔隙處搭設(shè)木垛。

3 結(jié) 論

這些措施經(jīng)濟(jì)有效，切實(shí)對片幫進(jìn)行了控制。注水泥漿和空頂段超前錨網(wǎng)支護(hù)對改善煤壁和頂板強(qiáng)度有顯著效果，使其可以承受更大的應(yīng)力，提高圍巖的整體穩(wěn)定性，降低了片幫的幾率。加強(qiáng)支架檢修工作，保證支架有了足夠初撐力，使其對頂板的支護(hù)效果能夠充分發(fā)揮出來，減少了煤壁的受力，有效降低了片幫的隱患。而防護(hù)網(wǎng)及煤機(jī)擋煤板大大避免了回采過程中的片幫煤滾落傷人的事故，增加了安全性，保障了人員安全。