宋沛鑫

【摘 要】 本文針對山西某礦大采高綜采工作面煤壁片幫嚴重的問題，分析了大采高綜放工作面煤壁片幫現(xiàn)象發(fā)生的機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：當煤層開采期間，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，當煤壁應(yīng)力狀態(tài)達到或超過其極限應(yīng)力狀態(tài)時，煤壁片幫現(xiàn)象就會發(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、開采技術(shù)指標、支架圍巖關(guān)系，因此通過改進大采高綜采工作面中液壓支架和對工作面煤壁進行加固可以對煤壁片幫現(xiàn)象的發(fā)生進行控制。

【關(guān)鍵詞】 淺埋煤層;大采高;綜采;煤壁片幫

【中圖分類號】 TD32 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）04-0032-03 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

1引言

煤壁片幫的出現(xiàn)往往會造成生產(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)片幫還會導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)備可靠性等問題。因此，合理有效地控制好煤壁片幫問題的發(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，煤壁片幫異于深埋煤層。因此，對淺埋煤層煤壁片幫進行研究不僅對淺埋煤層生產(chǎn)工作面的生產(chǎn)效率起到關(guān)鍵性作用，同時也有助于對淺埋煤層生產(chǎn)工作面的安全生產(chǎn)提供重要保障。

2工程概況

某礦當前主采2#煤層，厚度為6.36m，埋深約為180m。28403為大采高綜合機械化采煤工作面，28403大采高綜采工作面的煤巖層綜合柱狀圖如圖1所示。2#煤層頂板巖層為強度相對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，其次包括少量細粒沙質(zhì)構(gòu)造，成分主要為石英和長石，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、長石和少量高嶺土。

3煤壁片幫機理及其影響因素

3.1煤壁片幫機理

由于煤層在形成后存在明顯的不均勻特征，同時煤層的情況往往呈現(xiàn)出范圍分布的特點，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)。在煤層的不斷開挖過程中，由于開采擾動的作用，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)力也會重新分布，并逐步達到新的平衡狀態(tài)。煤巖體內(nèi)的應(yīng)力在重新分布過程中，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，進而導致工作面煤壁出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。

在煤層硬度較小或者煤層一次開采高度較大的工作面中，煤壁出現(xiàn)片幫的現(xiàn)象更為嚴重，由于在此類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)達到或超過其極限應(yīng)力狀態(tài)時，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，當煤壁中煤體受到的應(yīng)力繼續(xù)增加時，就會出現(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，存在煤層開采強度大、煤層開采擾動大、“三機”配套裝備功率大的特點，因此淺埋大采高綜采工作面出現(xiàn)煤壁片幫現(xiàn)象的可能性會更大、煤壁片幫范圍更大、片幫影響更嚴重，而煤壁片幫主要會受到煤層賦存條件、開采技術(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，且煤巖層的強度較低，同時煤層形成過程中在其內(nèi)部會形成大量的原生節(jié)理和裂隙，因此在大采高綜采工作面的開采過程中，極易出現(xiàn)煤壁片幫的現(xiàn)象，同時由于煤層直接頂巖層強度低，煤壁的頻繁片幫將會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，在這些頂板破碎區(qū)中會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，將會繼續(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。

（2）開采技術(shù)指標

大采高綜采工作面的推進速度和煤層開采的高度也會嚴重影響到煤壁片幫現(xiàn)象的出現(xiàn)。當工作面推進速度快時，煤壁前方出現(xiàn)空頂?shù)臅r間就越少，煤體直接頂巖層作用在煤體上的礦山壓力時間就越少，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，由于煤層的開采高度較大，煤層開采的空間較大，因此在淺埋煤層中，煤層賦存深度較淺，且煤層開采過后頂板巖層強度低，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，同時煤壁前方也會形成新的次生節(jié)理和裂隙，進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)的可能性也進一步增加。

（3）支架圍巖關(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對大采高綜采工作面出現(xiàn)煤壁片幫的現(xiàn)象產(chǎn)生影響。當大采高綜采工作面內(nèi)液壓支架的初撐力較低時，液壓支架頂梁無法與大采高綜采工作面直接頂巖層充分接觸，因此對頂板的有效支護不夠，使得大采高綜采工作面中基本頂巖層對工作面實施更大的頂板壓力，在淺埋大采高綜放工作面中，由于煤層賦存較淺，煤巖層強度較低，大采高綜采工作面中前方煤體無法與頂板壓力相抗衡，進而出現(xiàn)煤壁片幫現(xiàn)象的發(fā)生。

4煤壁片幫的控制措施

（1）改進工作面液壓支架

在大采高綜采工作面中，由于該礦煤層開采高度達6.36m，在煤層的開采擾動下，工作面前方煤壁中次生節(jié)理和裂隙發(fā)育更為嚴重，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幫板的長度，以此來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，同時可以通過提高大采高綜采工作面的液壓系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性來實現(xiàn)，及時對工作面上覆頂板巖層進行可靠支護，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采擾動影響下，原生的節(jié)理和裂隙會繼續(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)的可能性會進一步增大，因此可以對大采高綜采工作面前方煤壁中、上部進行加固，通過施加外部作用力控制煤壁片幫現(xiàn)象的出現(xiàn)。通過在煤壁內(nèi)部進行臨時錨桿支護，常用的錨桿選用螺紋鋼樹脂錨桿，長度一般為2000mm，直徑一般為18mm，錨桿臨時支護示意圖如圖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，當煤壁應(yīng)力狀態(tài)達到或超過其極限應(yīng)力狀態(tài)時，煤壁片幫現(xiàn)象就會發(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、開采技術(shù)指標、支架圍巖關(guān)系，因此通過改進大采高綜采工作面中液壓支架和對工作面煤壁進行加固可以對煤壁片幫現(xiàn)象的發(fā)生進行控制。

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