大采高綜采工作面煤壁片幫影響因素分析及控制措施探析

王 強

（大同煤礦集團同生精通興旺煤業(yè)有限公司，山西 大同 037003）

在綜采工作面周期來壓期間通常會產(chǎn)生煤壁片幫現(xiàn)象，大范圍的煤壁片幫會造成刮板輸送機溜槽鏈子被壓壞、采煤機鏈帶和電纜損壞、甚至發(fā)生工作面冒頂事故等，嚴重威脅工作面人員的人身安全以及設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，致使綜采工作面的生產(chǎn)效率及開機率較低。當采高工作面超大時，開采作業(yè)時上覆巖層頂板運動劇烈，來壓時工作面煤壁在集中應(yīng)力作用下通常會產(chǎn)生片幫現(xiàn)象，嚴重威脅工作面的安全生產(chǎn)。綜上所述，研究大采高工作面煤壁片幫的形成因素及防治措施十分重要。

1 綜采工作面煤壁片幫形式

如圖1所示，在煤體重力和頂板壓力的共同作用下，大采高綜采工作面煤壁片幫形式主要為拉裂破壞和剪切破壞。

圖1 大采高煤壁片幫破壞形式

1.1 拉裂破壞

在較硬的煤質(zhì)煤層中易發(fā)生拉裂破壞，是由于煤體變形量較小承受不住上覆巖層頂板壓力的情況下，煤壁產(chǎn)生拉應(yīng)力，當拉應(yīng)力超過煤體抗拉力，受拉破壞產(chǎn)生，煤壁片幫拉裂破壞產(chǎn)生。

1.2 剪切破壞

剪切破壞通常發(fā)生在煤質(zhì)較軟時，煤體重力和上覆巖層頂板壓力共同作用下的變形在煤體自身變形的可承受范圍內(nèi)，其兩種作用力產(chǎn)生的剪應(yīng)力，一旦超過煤體的抗剪強度時，煤壁片幫剪切破壞形成[1]。

2 綜采工作面煤壁片幫影響因素

2.1 煤體強度

煤壁片幫最主要的影響因素則是煤體強度，煤的物理性質(zhì)與節(jié)理發(fā)育程度影響著煤體強度，當煤體節(jié)理發(fā)育越多、煤體較軟、或煤體堅硬且脆度較大時，煤體更易遭到破壞，產(chǎn)生煤壁片幫。

2.2 支承壓力

在回采大采高綜采工作面過程中，上覆巖層會產(chǎn)生劇烈活動，工作面前方煤體會承受基本頂關(guān)鍵塊斷裂和移動期間產(chǎn)生的作用力，使煤體承載的應(yīng)力明顯增大，其應(yīng)力大到超過煤體的抗拉或抗剪強度時，煤壁破壞產(chǎn)生且范圍不斷增大，向煤體內(nèi)部延伸，造成煤體不同程度的彈塑區(qū)域。

2.3 液壓支架特性

綜采支架的主要功能是為綜采工作面煤壁提供有效支護，其能夠有效保護工作面安全，能減少煤壁片幫的產(chǎn)生。使用具有護幫板的液壓支架后，煤壁應(yīng)力情況得以明顯改善，其煤壁側(cè)水平位移縮短，減弱煤壁片幫情況。此外，煤壁片幫深度也受支架端面距的影響，端面距越大，則煤壁最大片幫深度越大。

2.4 工作面采高

超前應(yīng)力影響范圍隨著采高的增大而增大，更易發(fā)生煤壁片幫現(xiàn)象。上覆巖層破斷后的回轉(zhuǎn)空間會隨著工作面開采空間的增大而增大，基本頂在移動時對煤壁產(chǎn)生作用，煤體結(jié)構(gòu)被破壞造成其穩(wěn)定性下降，產(chǎn)生煤體裂隙，塑性破壞的面積范圍不斷增大，使得煤壁片幫產(chǎn)生的概率較高。

3 綜采工作面煤壁片幫數(shù)值模擬分析

3.1 綜采工作面煤壁片幫幾何模型及力學參數(shù)的確定

如圖2所示，為工作面煤壁片幫幾何模型，其長寬高分別為500m、400m 和80m，煤層厚度約8.8m，煤層傾角為0°。對影響大采高綜采工作面煤壁穩(wěn)定性的分析研究通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件實現(xiàn)。

圖2 工作面煤壁片幫幾何模型

3.2 綜采工作面煤壁片幫的判斷依據(jù)

在破壞區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的大采高工作面煤壁片幫，其煤壁片幫發(fā)生的概率和嚴重性隨著拉伸破壞區(qū)域的增大而增大，本文中的模擬對煤體片幫狀況的判斷依據(jù)為開采期間的煤體水平位移、破壞面積和破壞形式。

3.3 綜采工作面煤壁片幫數(shù)值模擬結(jié)果研究

本文模擬了采高分別為4.5m、5.5m 和6.3m 時，綜采工作面煤壁片幫的狀況，用液壓支架支護強度代表其垂直向上應(yīng)力，從而對不同采高工作面煤壁片幫的影響進行分析。

3.3.1 不同采高工作面煤壁片幫水平位移

如圖3所示，為采高5.5m和6.3m的工作面煤壁水平位移曲線圖，從中可看出，在煤壁的自由面處工作面煤壁水平位移量最大，通常最靠近煤壁頂板處的水平位移大于煤壁中上部位置。例如，工作面采高為8.8m時，其煤壁水平位移值在距煤層頂板0.5m 處為20.127m，而距煤層頂板3.5m 處的煤壁水平位移值為24.476m。一般情況下，現(xiàn)場煤壁片幫發(fā)生的規(guī)律與在煤壁中上部其最大位移量情況相一致。

圖3 不同采高煤壁水平位移曲線圖

隨著工作面采高增大，其煤壁水平變形增大：當工作面采高為5.5m 時，煤壁最大水平位移量約16.661mm 發(fā)生在距煤層頂板2.5m 處；當工作面采高為8.8m 時，煤壁最大水平位移量約為24.476mm 發(fā)生在距煤層頂板3.5m 處。一旦工作面煤壁水平位移超過10mm，煤壁不穩(wěn)定極易產(chǎn)生煤壁片幫[2]。

3.3.2 不同采高工作面煤壁片幫破壞形式及范圍

如圖4所示，為不同采高工作面煤壁破壞形式圖，從中可看出：

圖4 不同采高時工作面煤壁破壞形成形式

（1）采高為5.5m 時，其工作面前方煤體的主要破壞形式為剪切破壞，其范圍最大至前方2.2m，拉伸破壞范圍較少，最大范圍至前方1.3m，中間煤體區(qū)域兩種破壞形式均有。

（2）采高為6.3m 時，工作面前方煤體的破壞形式為拉伸破壞和剪切破壞，剪切破壞區(qū)域范圍為2.5m，拉伸破壞面積增大，兩破壞區(qū)域重疊區(qū)域?qū)挾葹?.5m。

綜上所述，不同采高情況下，拉伸和剪切破壞是煤壁的主要形式，隨著采高增加，煤壁破壞形式由剪切破壞向拉伸破壞轉(zhuǎn)變，二者的重疊區(qū)域增加，煤體穩(wěn)定性較差煤壁片幫產(chǎn)生概率極大[3]。

4 結(jié)語

因此，可采取以下措施以降低綜采工作面片幫及冒頂事故的產(chǎn)生。

（1）加速推進工作面，以減少超前集中應(yīng)力與煤壁間的作用時間。以減弱破壞程度。

（2）通過追機帶壓移架，及時伸出護幫板，減少頂板的破碎，利用護幫裝置，增大護幫面積和護幫高度，延長支架對頂板和煤壁的支護時間，以減少煤壁片幫。

（3）增強支架初撐力和前端支頂力。通過該方式提升支架圍巖的作用效果，使綜采工作面煤體的應(yīng)力情況發(fā)生變化，從而有效減弱上覆巖層對煤壁的作用力。

（4）改進回采流程。通過及時移架的措施，對綜采工作面頂板空頂部分進行快速有效的支護，并按照不同的煤質(zhì)情況控制采煤機的截深。