松軟煤層大采高工作面煤壁片幫原因分析及治理

王紅兵

（山西晉煤集團(tuán)澤州天安靖豐煤業(yè)有限公司 山西 晉城 048012）

1 工作面概況

12012工作面位于二采區(qū)-680m 水平，工作面標(biāo)高為-495.5m～-604.2m，西側(cè)為已經(jīng)回采結(jié)束的12011工作面，東側(cè)為正在掘進(jìn)的12013工作面，南側(cè)為二采區(qū)下山，北側(cè)為實(shí)體煤。工作面屬于軟煤層大采高工作面，所采煤層厚度為4.5～6.1m，平均為5.5m；煤層傾角為1.6°～7.2°，平均為4.8°；煤層以線理狀和層狀為主，塊狀和條帶狀次之；煤層中部含有一層0～0.4m 的矸石，矸石成分為炭質(zhì)泥巖～泥巖；煤層節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，煤質(zhì)整體表現(xiàn)松軟，硬度系數(shù)f=0.8～1.2。該工作面可采長(zhǎng)度為1750m，采長(zhǎng)為220m，開(kāi)采方式為綜合機(jī)械化后退式開(kāi)采。12012工作面頂?shù)装鍘r性較復(fù)雜，偽頂為均厚0.25m 的破碎泥巖；直接頂為均厚4.8m 的黑灰色粉砂巖，水平層理發(fā)育，易冒落；老頂為均厚6.2m 的灰色粉砂巖，呈團(tuán)塊狀，含植物根部化石；直接底為均厚1.9m 的黑灰色砂質(zhì)泥巖；老底為均厚3.2m 的黑色粉砂巖，巖性致密性程度較高。在掘進(jìn)過(guò)程中共揭露正斷層4個(gè)，逆斷層1個(gè)，其中對(duì)回采可能造成影響的有F5斷層和D3F25斷層。

2 煤壁片幫機(jī)理分析

理論分析認(rèn)為，工作面煤體在未受到采動(dòng)時(shí)處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，當(dāng)煤體暴露于回采空間時(shí)，原平衡應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，水平應(yīng)力迅速變?nèi)?，煤體所受應(yīng)力重新分布，其中煤體所受上方垂直應(yīng)力迅速增高〔1〕。隨煤體所受垂直應(yīng)力的不斷增大，煤體內(nèi)部裂隙不斷增多，煤體塑性區(qū)域范圍不斷變大；當(dāng)垂直應(yīng)力超過(guò)煤體強(qiáng)度和承載能力時(shí)，煤體破碎程度進(jìn)一步加劇，自穩(wěn)性和自承能力大幅度降低，不斷促使煤體向無(wú)水平約束的回采空間移動(dòng)，形成所謂的煤壁片幫現(xiàn)象。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者和專家通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等技術(shù)對(duì)煤壁片幫機(jī)理進(jìn)行探究，目前較公認(rèn)的理論有拉裂式破壞、剪切式破壞和重力滑落式破壞〔2-3〕：（1）拉裂式破壞經(jīng)常發(fā)生在脆性較高的煤層中，煤體在礦壓作用下產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，因脆性煤體無(wú)法消除拉應(yīng)變產(chǎn)生的勢(shì)能，只能以煤體破裂的形式釋放，這樣煤體就形成了拉裂式破壞；（2）當(dāng)煤層煤質(zhì)較軟弱時(shí)，煤體因自身蠕變和橫向變形會(huì)釋放一定的橫向拉應(yīng)力，當(dāng)煤所受剪切力超過(guò)其抗剪強(qiáng)度時(shí)便可出現(xiàn)剪切式破壞；（3）當(dāng)煤體破碎程度較高，失去自穩(wěn)能力時(shí)便會(huì)在重力作用下發(fā)生滑落，稱之為重力滑落式破壞。

3 工作面片幫情況及片幫因素分析

3.1 片幫情況分析

為了更好地掌握12012松軟煤層大采高工作面煤壁片幫情況，對(duì)工作面5個(gè)周期來(lái)壓范圍內(nèi)的片幫情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，觀測(cè)頻率為每測(cè)1刀，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 12012工作面煤壁片幫情況統(tǒng)計(jì)分析

由表1可知，12012工作面煤壁片幫程度較嚴(yán)重，其中在非來(lái)壓期間工作面上部、中部和下部片幫率分別為17.2%、22.4%和19.6%，平均為19.73%；來(lái)壓期間煤壁片幫程度有加劇現(xiàn)象，工作面上部、中部和下部片幫率分別為32.1%、50.3%和35.7%，平均為39.37%；來(lái)壓前整個(gè)工作面煤壁片幫深度相差不大，分布在1250～1320mm 間，來(lái)壓時(shí)煤壁片幫深度分布在1380～1465mm 間?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，采煤機(jī)過(guò)后，總是出現(xiàn)不同程度的片幫情況，且在過(guò)頂板破碎帶或者斷層時(shí)片幫現(xiàn)象加劇，片幫時(shí)偶爾出現(xiàn)輕微“啪啪”劈裂聲響。

3.2 片幫因素分析

根據(jù)12012工作面煤壁片幫情況分析，結(jié)合煤巖體巖性和開(kāi)采條件進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為引起該工作面煤壁片幫的主要因素是：

（1）該工作面煤質(zhì)松軟，硬度系數(shù)f=0.8～1.2，且煤體節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，其內(nèi)聚力和粘結(jié)性較低，在礦壓壓力作用下和回采擾動(dòng)作用下極易發(fā)生片幫。同時(shí)，由于該煤層松軟易碎，其超前支撐壓力分布區(qū)域變大，造成煤壁前方塑性區(qū)增大，容易導(dǎo)致片幫。

（2）該工作面頂?shù)装鍘r性復(fù)雜，其中偽頂和直接頂較易冒落，基本頂強(qiáng)度較大，冒落困難，基本頂及其上方巖層壓力通過(guò)下方巖層傳遞給煤體和支架，當(dāng)基本頂來(lái)壓時(shí)，基本頂發(fā)生彎曲、破斷和旋轉(zhuǎn)，造成煤體所承載應(yīng)力急劇增大，最終導(dǎo)致片幫發(fā)生。

（3）開(kāi)采理論和數(shù)值模擬均表明隨著工作面采高的增加，煤壁片幫程度有加劇趨勢(shì)〔4〕。12012工作面采高已達(dá)5.5m，且煤體強(qiáng)度和自承載能力較弱，容易引起片幫。

（4）采場(chǎng)支護(hù)不合理是造成工作面煤壁片幫的主要因素之一。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)支架載荷變化觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)整個(gè)工作面液壓支架初撐力普遍較低，初撐力合格率不足21%，這樣難以對(duì)頂板形成主動(dòng)支護(hù)作用，造成頂板壓力傳遞至煤壁煤體，引起煤壁片幫現(xiàn)象發(fā)生。

（5）推進(jìn)速度較慢也是引起12012工作面煤壁片幫的重要因素。由于該工作面采高較大，煤質(zhì)松軟，圍巖條件較復(fù)雜，造成工作面推進(jìn)速度較慢，尤其是在處理大面積片幫、冒頂和過(guò)地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)一個(gè)生產(chǎn)班只能完成一刀煤。這樣就造成工作面頂板累計(jì)下沉量不斷加大，對(duì)裸露的煤體持續(xù)作用，也容易導(dǎo)致煤壁片幫程度加劇。

4 煤壁片幫控制措施

針對(duì)12012工作面片幫具體情況，采取了如下控制措施：

1）在過(guò)斷層構(gòu)造帶和頂板破碎帶時(shí)有選擇性地加固煤體，加固煤體的主要方法有化學(xué)注漿加固、木錨桿支護(hù)加固和工作面聯(lián)網(wǎng)等，其中化學(xué)注漿加固施工速度快、加固效果好，且不影響正常回采作業(yè)。12012工作面在過(guò)斷層時(shí)采用注射馬麗散對(duì)煤體和頂板進(jìn)行加固，快速、安全通過(guò)斷層，較好的減弱了煤壁片幫程度。

2）合理控制采煤高度，嚴(yán)禁超高采煤，在過(guò)特殊地帶時(shí)可以適當(dāng)降低采高。

3）對(duì)松軟煤層注水可以提高煤體粘結(jié)性和控制揚(yáng)塵的生成量，12012工作面在推進(jìn)至80m 后開(kāi)始采用煤層注水，相比于注水前，煤壁片幫率減小10.4%。既降低了工作面粉塵量，又有助于實(shí)現(xiàn)綜采工作面經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的同步提高。

4）加強(qiáng)采場(chǎng)支護(hù)，加強(qiáng)乳化泵站壓力和供液管路的管理和維護(hù)，適當(dāng)提高升架時(shí)間，確保支架初撐力符合要求。在采煤機(jī)過(guò)后，及時(shí)打開(kāi)護(hù)幫板，對(duì)于頂板不穩(wěn)定地帶可以實(shí)行超前移架，可以有效地對(duì)煤壁片幫進(jìn)行控制。

5）適當(dāng)提高推進(jìn)速度，當(dāng)過(guò)斷層和頂板破碎帶時(shí)，可提前進(jìn)行煤體和頂板加固，這樣不僅可以有效預(yù)防片幫，同時(shí)還可以減小對(duì)工作面推進(jìn)的影響程度。

通過(guò)這些措施的實(shí)施，12012軟煤層大采高工作面片幫現(xiàn)象大幅度降低，有效避免了煤壁片幫、頂板冒漏生產(chǎn)事故的發(fā)生；同時(shí)也降低了工作面粉塵量，也有效地降低塵肺病的發(fā)生率，為提高礦井綜合效益奠定了基礎(chǔ)。

〔1〕華心祝，謝廣祥.大采高綜采工作面煤壁片幫機(jī)理及控制技術(shù)〔J〕.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36（9）：1-3.

〔2〕紀(jì)有利，翟英達(dá)，韓 豐.軟煤層大采高工作面煤壁片幫機(jī)理及預(yù)防措施〔J〕.山西煤炭，2011，31（1）：42-44.

〔3〕寧 宇.大采高煤壁片幫冒頂機(jī)理與控制技術(shù)〔J〕.煤炭學(xué)報(bào)，2009，34（1）：50-52.

〔4〕宋朝陽(yáng).寺河礦大采高工作面煤壁片幫機(jī)理及防治措施〔J〕.煤炭技術(shù)，2007，26（4）；52-54.