工作面煤壁片幫原因的分析研究

柯賢棟，姚文華

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司回坡底礦，山西霍州 041600）

工作面煤壁片幫原因的分析研究

柯賢棟，姚文華

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司回坡底礦，山西霍州 041600）

結(jié)合回坡底煤礦10號(hào)煤106工作面煤壁片幫情況，通過對(duì)106工作面礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)、煤壁片幫程度及地質(zhì)資料的分析研究，最終確定10-106工作面一直片幫的主要原因是工作面按仰采方式推進(jìn)，而工作面頂板來壓、煤層本身存在的一些地質(zhì)構(gòu)造及長(zhǎng)時(shí)間的停采只是片幫現(xiàn)象加劇的原因，對(duì)以后回采工作面現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)及片幫防治技術(shù)具有一定的借鑒作用。

煤壁片幫；仰采推進(jìn)；頂板來壓；地質(zhì)構(gòu)造

隨著煤礦機(jī)械化程度的不斷提高，工作面煤壁的長(zhǎng)度及高度都有了很大的改觀，與此同時(shí)，由于煤層及上覆巖層的自重、工作面的布置形式、地質(zhì)構(gòu)造方面等因素的影響，工作面煤壁片幫問題也越來越突出[1]。煤壁片幫不僅影響工作面的正常生產(chǎn)，而且片幫時(shí)易引起冒頂事故，造成支架被壓死，煤壁上掉落的大塊煤矸也會(huì)損壞工作溜子等設(shè)備，片幫處飛濺的煤塊還可能造成作業(yè)人員的傷亡[2]。本文通過對(duì)回坡底礦106工作面礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)、煤壁片幫程度及地質(zhì)資料的研究分析，得出了106工作面片幫的主要原因，對(duì)以后回采工作面現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)及片幫治理技術(shù)都具有指導(dǎo)意義。

1 工作面概況

回坡底礦10-106工作面煤層屬于10號(hào)煤，普氏系數(shù)f=0.9～1.1，屬松軟煤層，該面位于東一采區(qū)軌道巷前進(jìn)方向右翼，正、副巷長(zhǎng)度均為1 436 m，切巷長(zhǎng)度為251 m，工作面底板標(biāo)高為+485～+510 m，低于K2靜水位（約+560 m），工作面大部分處于帶壓（O2靜水位+520 m）區(qū)域，回采期間工作面直接充水水源為上覆K2灰?guī)r水，工作面共安裝167架ZY7200-16.5/32型液壓支架，每一架上均安裝有礦壓在線監(jiān)測(cè)儀表，2013年7月23日開始初采，8月9日老頂全部垮落，截止2014年4月20日0點(diǎn)班工作面正巷推進(jìn)750.5 m、副巷推進(jìn)750 m。根據(jù)工作面回采情況，該面自開采以來煤壁一直伴隨有不同程度的片幫現(xiàn)象。

2 煤壁片幫原因分析

通常影響工作面煤壁片幫的因素包括礦壓因素、工作面的布置、地質(zhì)構(gòu)造因素（煤層埋深、采高、節(jié)理裂隙、斷層等）、支架的工作狀態(tài)等[3]。通過對(duì)各因素進(jìn)行分析，從而最終確定106工作面片幫的主要原因。

2.1 礦壓因素

通常遇到工作面片幫的問題時(shí)，首先想到的就是周期來壓。來壓期間，工作面在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)明顯變大，即頂板壓力突然增大，如此就會(huì)引起工作面前方煤壁支承壓力的突然增加，從而會(huì)引起煤壁上大塊煤體滑落及小塊煤飛濺出來的片幫現(xiàn)象，同時(shí)會(huì)在煤壁前方?jīng)]脫落的煤體內(nèi)形成大量的節(jié)理或裂隙，當(dāng)割煤機(jī)一旦開機(jī)，就會(huì)引起機(jī)組周圍及前方范圍內(nèi)煤體的二次片幫。這就是礦壓因素的影響。106工作面四月份礦壓統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如表1所示。

從圖1中可以看出4月5日-4月10日工作面的支架全部在30 MPa以上，而這段時(shí)間的片幫區(qū)域據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)也比平時(shí)的片幫區(qū)域大的多；圖2中反映出4月6日-4月12日支架壓力出現(xiàn)40 MPa以上的每天都有，從現(xiàn)場(chǎng)的情況來看，片幫的嚴(yán)重程度（不論深度還是煤塊體積的大?。┟黠@大于平時(shí)。

表1 礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)

圖1 礦壓為35 MPa以下支架數(shù)目曲線圖

圖2 礦壓為35 MPa以上支架數(shù)目曲線圖

從上面圖表的分析可以看出，工作面來壓期間，片幫區(qū)域、深度及煤塊大小的確比平時(shí)嚴(yán)重很多，但是據(jù)我們觀測(cè)，106工作面開采以來一直伴有或輕或重的片幫，只是在來壓期間程度上更加劇烈，也就是說工作面來壓是片幫加重的一個(gè)重要因素，但不是106工作面一直伴有片幫的主因。

2.2 工作面布置

106工作面的推進(jìn)方式為仰采，從1062巷往里走一直到工作面，整個(gè)路程都是下山，查閱1061巷和1062巷的地質(zhì)剖面圖，從兩巷導(dǎo)線點(diǎn)標(biāo)注的標(biāo)高上來看，兩巷從外往里標(biāo)高越來越小，同時(shí)可以計(jì)算出兩巷的坡度在0°～14°之間。

1）從力學(xué)角度去分析仰采導(dǎo)致片幫的機(jī)理。根據(jù)106工作面兩巷地質(zhì)剖面圖可知，106工作面推進(jìn)方式為仰斜開采，圖3為106工作面煤層及頂板結(jié)構(gòu)的受力分析圖。

圖3 106工作面煤層及頂板結(jié)構(gòu)受力分析圖

上圖中，煤層及頂板的自重G沿斜面的分力F1=Gsinθ直接指向工作面煤壁，也就是說沿斜面方向的所有壓力全部集中在了工作面的煤壁上，其主要著力點(diǎn)主要位于煤壁的中間區(qū)域，這樣煤壁內(nèi)會(huì)產(chǎn)生橫向的拉應(yīng)力，由于煤層本身屬于松軟煤層，松軟煤層就會(huì)產(chǎn)生一定的變形來對(duì)這種應(yīng)力進(jìn)行緩沖儲(chǔ)存，但由于這種應(yīng)力往往來的太快，且伴隨的能量是非常巨大的，一旦這種應(yīng)力超過煤體本身變形儲(chǔ)存的能力時(shí)，其中的能量就會(huì)沖破煤體釋放出來，從而造成部分煤體沿煤壁滑落或飛濺，引起片幫，尤其是來壓期間或停采過一段時(shí)間后再開機(jī)顯現(xiàn)的更為明顯。據(jù)106臺(tái)賬記錄，在4月份開采前，停采過10 d左右的時(shí)間，這種長(zhǎng)時(shí)間的停采，會(huì)使頂板的下沉位移量增大，而頂板的下沉?xí)M(jìn)一步加大對(duì)工作面煤壁的壓力，這就是停采后再開機(jī)片幫現(xiàn)象明顯的原因。

2）從片幫程度去分析仰采導(dǎo)致片幫的機(jī)理?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)記錄的煤壁片幫情況，如表2所示。

表2 煤壁片幫記錄表

從表2中可以看出片幫區(qū)間長(zhǎng)度最長(zhǎng)的在81號(hào)-125號(hào)之間，片幫深度最深的也在81號(hào)-125號(hào)之間，即工作面片幫程度最嚴(yán)重的在工作面煤壁的中部及偏機(jī)尾方向，而這個(gè)范圍是煤壁上壓力承受的集中區(qū)域，與前面力學(xué)角度分析的也相吻合。

通常，我們計(jì)算片幫深度[4]所用公式如下：

仰斜開采D=Mtan（c+θ-φ/2）.

俯斜開采D=Mtan（c-θ-φ/2）.

水平開采D=Mtan（c-φ/2）.

式中：D為片幫深度，cm；M為采高，cm；c為常用系數(shù),30°～45°，θ為仰采角度，0°～14°；φ為煤體內(nèi)摩擦角16°～40°的坡度之間。當(dāng)兩巷坡度θ取0°～14°范圍時(shí)，代入仰斜開采公式中，算得片幫深度D在45～116 cm之間，與表2中來壓期間工作面中部81號(hào)-125號(hào)之間的片幫深度50～120 cm基本相符。

比較上述公式，可以得出，工作面仰采推進(jìn)的煤壁片幫深度，相比同一條件下的俯采推進(jìn)或水平推進(jìn)來說要深得多，也就是片幫程度嚴(yán)重得多，且仰采角度越大，片幫越明顯。

綜上兩方面可看出，工作面按仰采推進(jìn)是煤壁一直片幫的主要原因，而工作面來壓或長(zhǎng)時(shí)間的停采只讓是片幫現(xiàn)象更加嚴(yán)重、突出。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造方面因素

1）斷層。經(jīng)過到106工作面現(xiàn)場(chǎng)的觀察了解，在43號(hào)支架、123號(hào)支架前后一定范圍內(nèi)出現(xiàn)了落差在30 cm左右的小斷層，使頂?shù)装灏l(fā)生變化，斷層面兩側(cè)的煤體發(fā)生錯(cuò)移，這就導(dǎo)致了整個(gè)工作面兩邊高中間低的現(xiàn)象，從而造成了煤壁支承壓力分布不均，局部壓力過大。當(dāng)割煤機(jī)割到斷層附近時(shí)必須把割煤機(jī)的速度降下來，否則割煤機(jī)就會(huì)割到斷層另一面的頂板或底板。割煤機(jī)一慢下來，其前后方支架與煤壁間的空頂時(shí)間就會(huì)增加，煤壁得不到及時(shí)支護(hù)，加上斷層附近煤體及頂板巖層比較破碎、煤體本身比較松軟，就容易引起煤壁的片幫。

2）節(jié)理裂隙。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，煤壁上的節(jié)理裂隙是非常少的，片幫區(qū)域看到的煤壁上的些許節(jié)理和裂隙多數(shù)是礦山壓力造成的次生節(jié)理、次生裂隙，這些節(jié)理裂隙會(huì)使煤體本身更加相對(duì)松散，從而對(duì)煤壁的片幫產(chǎn)生一定的影響，但這不是主要原因。

3）煤層的層理。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的觀察，煤層的層理基本上都是水平的，煤壁前的支撐壓力及割煤機(jī)開機(jī)引起前后范圍的震蕩對(duì)于這樣的層理都不會(huì)造成明顯片幫，如果煤體內(nèi)豎直層理或斜層理比較多，就容易引起片幫。

4）煤的硬度。10-106屬10號(hào)煤，其普氏系數(shù)f=0.9～1.1，也就是說10號(hào)煤屬于松軟煤層，它是既松又軟，松就反映了煤本身較脆、結(jié)構(gòu)較松散，這樣只要施加一定的壓力它就會(huì)破碎或滑落，從而引起片幫，這是片幫的微觀因素，不是主要因素。

5）采高與埋深。隨著采高的增加工作面頂板壓力就會(huì)增大，煤壁前方的支承壓力也隨之增加，從而加劇了煤壁的片幫；而隨著埋深的加大，煤壁塑性區(qū)的寬度和深度都會(huì)增加，這也會(huì)加劇片幫的發(fā)生。但是這兩個(gè)因素都是在一定條件下才會(huì)成為主要影響因素，如進(jìn)行綜采放頂煤的工作面。而一般對(duì)于3.5 m以下的煤層及埋深在300 m左右的淺埋煤層，這兩因素影響基本不大。所以說這兩個(gè)因素不會(huì)成為10-106工作面煤壁片幫的主要因素。綜上可以看出，10-106面地質(zhì)方面主要影響因素是煤體本身硬度、少許的斷層、次生的節(jié)理裂隙，剩下的其他地質(zhì)因素對(duì)106工作面基本沒影響。

2.4 支架的支設(shè)形式

由于106工作面是仰采，支架的支設(shè)自然為頭朝上、后仰式，這種支設(shè)狀態(tài)會(huì)使支架的支撐力得不到充分發(fā)揮[5]，從而工作面煤壁就會(huì)分擔(dān)承受更多的來自頂板方面的壓力，當(dāng)煤壁承受的壓力超過煤體的強(qiáng)度極限，就會(huì)導(dǎo)致煤體發(fā)生變形破碎，從而發(fā)生片幫。

3 結(jié)論

1）106工作面一直片幫的主要原因是工作面按仰采方式推進(jìn)，而工作面來壓或長(zhǎng)時(shí)間的停采只是讓片幫現(xiàn)象更加嚴(yán)重、突出。

2）106工作面地質(zhì)方面主要影響因素是煤體本身硬度、少許的斷層、次生的節(jié)理裂隙，這些因素會(huì)對(duì)片幫會(huì)造成一定的影響，但只是局部的微觀的，真正起作用的還是仰采、工作面來壓等宏觀因素。

3）支架后仰式的支設(shè)狀態(tài)會(huì)使支架的支撐力得不到充分發(fā)揮，來自頂板的壓力就會(huì)將部分壓力傳到煤壁上，最終引起片幫。不過支架的這種后仰式的支設(shè)狀態(tài)還是因?yàn)楣ぷ髅姘囱霾煞绞酵七M(jìn)造成的。

4）106工作面支架的安全閥開啟壓力為42MPa，從表1統(tǒng)計(jì)的礦壓數(shù)據(jù)來看，一旦工作面來壓，壓力極有可能超過42 MPa，從而可能導(dǎo)致片幫的大塊煤壓垮溜子、壓死支架及傷人事故，所以，來壓期間一定要加強(qiáng)工作面的支護(hù)及加固煤壁，尤其到工作面的末采和回撤階段，必須得提前采取支護(hù)加強(qiáng)措施。

[1]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[2]董事舉.趙固二礦大采高工作面煤壁片幫機(jī)理及注水防治技術(shù)研究[D].焦作：河南理工大學(xué)，2012.

[3]李建國(guó)，田取珍，楊雙鎖.綜采放頂煤工作面俯、仰斜開采對(duì)煤壁片幫的影響機(jī)理研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，35（4）：407-409.

[4]孟杏莽，賈凱軍.大采高仰采充填工作面煤壁片幫治理研究[J].煤炭工程，2011（8）：58-63.

[5]王軍.工作面煤壁片幫的原因與預(yù)防方法[J].煤炭技術(shù)，2009，28（3）：89-90.

Cause Analysis of Rib Spalling of Coal Wall on Mining Face

KE Xiandong，YAO Wenhua
（Huipodi Mine，Huozhou Coal Electricity Group Co.，Ltd.，Huozhou 031400，China）

On the condition of rib spalling on No.106 working face of No.10 coal seam in Huipodi mine，the mine pressure observation，rib spalling degree，and geological data are studied to determine that the main cause of the rib spalling is upward mining of the working face.The roof weighting，geological structure，and long-time stopping mining only aggravate the phenomenon.The study is useful for future support design and rib spalling prevention.

rib spalling of coal wall;upward mining;roof weighting;geological structure

TD323

A

1672-5050（2015）03-0044-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.016

（編輯：武曉平）

2015-02-07

柯賢棟（1971-），男，山西襄汾人，大學(xué)本科，工程師，從事煤礦井下生產(chǎn)技術(shù)研究及安全管理工作。