三軟不穩(wěn)定煤層工作面煤壁片幫機(jī)理及防治技術(shù)研究

李錫凱

（山西汾西宜興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300）

大量煤礦開采經(jīng)驗(yàn)結(jié)果表明，三軟不穩(wěn)定煤層回采期間容易引發(fā)各種問題，如在進(jìn)行回采期間，發(fā)生較大范圍片幫，容易對工作面正循環(huán)造成不良影響，情況嚴(yán)重時會引發(fā)冒頂事故，導(dǎo)致開采中應(yīng)用的機(jī)械設(shè)備遭受破壞，而且會威脅煤礦開采人員的人身安全，增加煤礦安全管理管理難度。因此，必須要針對具體情況，做好相應(yīng)分析工作。

1 三軟不穩(wěn)定煤層工作面煤壁片幫的幾種常見形式

某煤礦作業(yè)面回采期間煤壁片幫現(xiàn)象較為嚴(yán)重，煤壁片面主要集中在作業(yè)面中部和頂部，對現(xiàn)場情況進(jìn)行觀測，煤壁片幫的形式主要有重力滑落式片幫、壓剪片幫、橫拱式片幫3 種形式，其中，重力滑落式片幫的深度較小，壓剪片幫深度大在實(shí)際回采期間容易發(fā)生作業(yè)面空頂距離過大問題，進(jìn)而引起端面冒頂事故，橫拱式片幫作業(yè)發(fā)生相對減少，經(jīng)常會發(fā)生在巷道內(nèi)部。

2 三軟不穩(wěn)定煤層工作面煤壁片幫機(jī)理

在煤礦開采期間，工作面前方煤壁塑性區(qū)域煤體受到移架、割煤等各種外力影響，容易出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。不同形式片幫形式的機(jī)理也會存在一定差異，本文針對不同形式片幫機(jī)理進(jìn)行闡述。

2.1 重力滑落式片幫機(jī)理

重力滑落式片幫主要發(fā)生在破碎區(qū)域，破碎區(qū)煤體松散破碎、整體承載力差、內(nèi)聚力低、穩(wěn)定性差，因此，在重力作用下垮落、滑動，會形成散體介質(zhì)保持自然安息狀態(tài)，重力式滑落片幫如圖1 所示。針對重力式滑落片幫采取散體介質(zhì)力學(xué)理論進(jìn)行分析，Ф 為煤體內(nèi)摩擦角、C 為片幫最大深度、H1為片幫高度。

圖1 重力式滑落片幫

2.2 壓剪式片幫機(jī)理

壓剪式片幫主要發(fā)生在頂板來壓期間，受高承壓作用，煤壁塑性區(qū)在煤礦開采過程中，會發(fā)生剪切式破壞，而沿著破裂面發(fā)生滑動，這將會引起壓剪式片幫。

2.3 橫拱式片幫機(jī)理

在煤礦開采過程中，若煤壁被揭露，此時位于煤壁前方的煤體將會由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)體積膨脹，進(jìn)而發(fā)生鼓出變形現(xiàn)象[1]。受到支撐壓力作用影響，頂板受到力的作用影響，將會朝向擠煤體方向移動，煤壁將會被擠壓出形成橫拱式片幫。這一問題是受塑性體膨脹造成的，因此，橫拱式片幫深度不會超過煤壁塑性區(qū)域?qū)挾萚2]。

3 防治煤壁片幫的合理措施

3.1 選擇合理的支護(hù)設(shè)備

針對工作面在處理上采用的支護(hù)方式需要兼顧支持、防護(hù)、穩(wěn)定3 個方面性能。大量工程施工經(jīng)驗(yàn)結(jié)果表明，煤壁片幫深度會隨著液壓支架作業(yè)面阻力變大而減少，煤壁片幫深度和頂板離層程度也會隨著支架初支撐力的變化而發(fā)生改變，從具體變化情況來看，也會隨著支撐力增大而減少[3]。由此可見，在實(shí)際作業(yè)開展時，要采取具有高初撐力、工作阻力、及時支護(hù)、帶有護(hù)幫板合伸縮前梁類型的支護(hù)設(shè)備，同時，還要盡量提高泵站供液壓力，通過對初撐力保持閥進(jìn)行應(yīng)用，使支架在具體應(yīng)用過程中的實(shí)際初撐力能夠得到進(jìn)一步提高，使其能夠滿足應(yīng)用需求，確保工作面煤壁整體穩(wěn)定性，降低事故發(fā)生幾率[4]。

3.2 適當(dāng)優(yōu)化回采工藝

3.2.1 科學(xué)控制采高

大量研究結(jié)果表明，作業(yè)面定在煤礦開采期間，破壞范圍會隨著采高增加而不斷變大，工作面頂板壓力也會隨著頂板破壞范圍的增加而進(jìn)一步變大，同時，煤壁承受壓力也會隨著頂板壓力變大而不斷增加，這將會導(dǎo)致煤壁片幫深度加大，從而提高發(fā)生煤壁片幫幾率[5]。由此可見，在煤礦開采期間，特別是在煤壁和頂板相對破碎狀態(tài)下，開采人員應(yīng)當(dāng)對工作面采高進(jìn)行控制，將其控制在合理范圍內(nèi)。大量工作經(jīng)驗(yàn)表明，在進(jìn)行完整煤體開采作業(yè)時，要適當(dāng)降低采高，通常來說，要將采高控制在3.8 m～4.2 m之，能夠降低煤壁片幫程度，從而確保煤礦開采作業(yè)順利進(jìn)行，降低事故發(fā)生幾率。

3.2.2 縮短煤壁暴露時長

在停止煤礦開采期間，三軟煤層工作面會受到支撐壓力影響，而且該影響會持續(xù)很長時間，這會導(dǎo)致煤壁片幫現(xiàn)象加劇，情況嚴(yán)重時引發(fā)冒頂事故，危害較大。大量煤礦開采經(jīng)驗(yàn)表明，在合理煤礦開采范圍內(nèi)進(jìn)行開采作業(yè)時，需要加快作業(yè)面推進(jìn)速度，能夠適當(dāng)縮小超前支撐壓力影響，從而減小煤壁片幫具體程度[6]。在作業(yè)面停產(chǎn)進(jìn)行大修作業(yè)時，應(yīng)盡量在采高較低、煤層較薄、頂板相對較高地段開展，同時，要利用單體柱對支護(hù)進(jìn)行強(qiáng)化，避免出現(xiàn)片幫，引起冒頂事故。

3.3 設(shè)計回采工作面支架

3.3.1 科學(xué)控制面端面距

一般來說，頂部拉應(yīng)力區(qū)范圍和工作面煤壁上端部會隨著斷面距增加而不斷增大，同時，隨著端面距離增大也會導(dǎo)致頂板帽高變大，在端面距超出臨界數(shù)值后，頂板帽高將會快速增大。通常來說，端面距主要由接頂距、梁端距、片幫深度3 個部分共同構(gòu)成?？梢?，在已經(jīng)確定了梁端距的狀況下，工作人員需要對頂距和片幫深度進(jìn)行合理控制，從而避免發(fā)生惡性冒頂事故，確保開采作業(yè)順利進(jìn)行，避免發(fā)生巨大經(jīng)濟(jì)損失，以及人員工傷亡。

3.3.2 確保液壓支架工況良好

工作面片幫冒頂事故通常都是由于煤礦開采期間的液壓支架工況存在問題造成的。從大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，液壓支架工況不佳主要體現(xiàn)在支架液壓事故頻繁發(fā)生，以及支架幾何位態(tài)不正。因此，在煤礦具體開采期間，確保工作面液壓支架狀態(tài)良好是保證煤礦開采時作業(yè)面安全的核心。

3.3.3 維護(hù)作業(yè)面煤壁狀況

在煤礦開采期間，隨著回采工作的不斷推進(jìn)，作業(yè)面頂板需要承受的壓力將會不斷增大，如果煤壁所承受最大荷載超出其能夠承受的及限值后，將會導(dǎo)致煤壁發(fā)生片幫事故。因此，在煤礦開采期間，為了最大程度減少煤壁片幫現(xiàn)象的發(fā)生，在進(jìn)行回采作業(yè)時，采取分段方式進(jìn)行支護(hù)，通過該方式最大程度減少無支護(hù)空間，同時，作業(yè)人員要第一時間開啟護(hù)幫板，從而使煤壁支承強(qiáng)度能夠得到進(jìn)一步提高，為后續(xù)煤礦開采作業(yè)提供支持。需要作業(yè)人員注意的是，如果移架速度無法跟上采煤機(jī)的運(yùn)行速度，此時，應(yīng)適當(dāng)降低割煤速度，或者暫停割煤機(jī)，進(jìn)行移架，在暴露頂板被完全保護(hù)之后，作業(yè)人員開啟采煤機(jī)，繼續(xù)進(jìn)行割煤作業(yè)。

3.4 提高煤壁整體承載力

如果煤體受到采動或地質(zhì)作用影響，導(dǎo)致其松散而出現(xiàn)破碎時，煤體的整體支撐能力將會快速降低，回采期間，工作面煤壁容易發(fā)生冒頂事故。由此可見，當(dāng)工作面煤體發(fā)生松軟，或者遇到斷層異常狀況時，作業(yè)人員應(yīng)對提前對煤壁進(jìn)行加固，提高其穩(wěn)定性，使其煤體支撐能力可以得到進(jìn)一步的提高。通常來說，可以采取下列方法提高煤壁承載力：

1）采用木錨干超前加固。通過對木錨桿進(jìn)行應(yīng)用，能夠?qū)⒉煌后w合理黏結(jié)到一起，利用錨桿與頂板與煤體之間的摩擦力，以及孔隙和層禮等弱面之間的相互作用，進(jìn)而使煤壁高度能夠得到進(jìn)一步提高，增強(qiáng)煤體內(nèi)摩擦力，防治煤壁片幫。當(dāng)工作面煤壁十分破碎，但是未出現(xiàn)大面積片幫，可以采取木錨桿進(jìn)行超前加固。

2）注水加固。向煤層中注水，通過注水可以使水微粒充滿煤炭內(nèi)的各個裂隙，水微粒與煤顆粒能夠相互結(jié)合，提高煤體黏聚力，增強(qiáng)煤體脆性和抗壓強(qiáng)度，與此同時，也可以使煤壁應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移到深部。

3）注漿加固。如果作業(yè)面煤破碎無法保持自穩(wěn)，采取注漿法前提加固煤體，通常注入的材料都是具有較強(qiáng)黏結(jié)性的物質(zhì)。注漿與注水不同的是，在注漿之后，經(jīng)過一段時間，漿液會將原本破碎煤體黏結(jié)成具有一定強(qiáng)度的組合體，進(jìn)而使煤壁整體承載能力得到進(jìn)一步提高，完成對煤壁片幫具體情況的合理控制。

4 結(jié)語

三軟不穩(wěn)定煤層工作面開采是一項(xiàng)危險性較高的作業(yè)，而工作面煤壁穩(wěn)定是確保煤礦順利開采的關(guān)鍵。針對三軟不穩(wěn)定煤層工作面煤壁片幫，可以通過選擇合理的支護(hù)設(shè)備、適當(dāng)優(yōu)化回采工藝、設(shè)計回采工作面支架、提高煤壁整體承載力幾種途徑，完成對煤壁片幫的合理防治，確保煤礦開采作業(yè)順利進(jìn)行。