松软煤层大采高工作面煤壁片帮原因分析及治理

王红兵

（山西晋煤集团泽州天安靖丰煤业有限公司 山西 晋城 048012）

1 工作面概况

12012工作面位于二采区-680m 水平，工作面标高为-495.5m～-604.2m，西侧为已经回采结束的12011工作面，东侧为正在掘进的12013工作面，南侧为二采区下山，北侧为实体煤。工作面属于软煤层大采高工作面，所采煤层厚度为4.5～6.1m，平均为5.5m；煤层倾角为1.6°～7.2°，平均为4.8°；煤层以线理状和层状为主，块状和条带状次之；煤层中部含有一层0～0.4m 的矸石，矸石成分为炭质泥岩～泥岩；煤层节理裂隙发育程度较高，煤质整体表现松软，硬度系数f=0.8～1.2。该工作面可采长度为1750m，采长为220m，开采方式为综合机械化后退式开采。12012工作面顶底板岩性较复杂，伪顶为均厚0.25m 的破碎泥岩；直接顶为均厚4.8m 的黑灰色粉砂岩，水平层理发育，易冒落；老顶为均厚6.2m 的灰色粉砂岩，呈团块状，含植物根部化石；直接底为均厚1.9m 的黑灰色砂质泥岩；老底为均厚3.2m 的黑色粉砂岩，岩性致密性程度较高。在掘进过程中共揭露正断层4个，逆断层1个，其中对回采可能造成影响的有F5断层和D3F25断层。

2 煤壁片帮机理分析

理论分析认为，工作面煤体在未受到采动时处于应力平衡状态，当煤体暴露于回采空间时，原平衡应力状态遭到破坏，水平应力迅速变弱，煤体所受应力重新分布，其中煤体所受上方垂直应力迅速增高〔1〕。随煤体所受垂直应力的不断增大，煤体内部裂隙不断增多，煤体塑性区域范围不断变大；当垂直应力超过煤体强度和承载能力时，煤体破碎程度进一步加剧，自稳性和自承能力大幅度降低，不断促使煤体向无水平约束的回采空间移动，形成所谓的煤壁片帮现象。近年来，相关学者和专家通过理论分析、现场试验和数值模拟等技术对煤壁片帮机理进行探究，目前较公认的理论有拉裂式破坏、剪切式破坏和重力滑落式破坏〔2-3〕：（1）拉裂式破坏经常发生在脆性较高的煤层中，煤体在矿压作用下产生横向拉应力，因脆性煤体无法消除拉应变产生的势能，只能以煤体破裂的形式释放，这样煤体就形成了拉裂式破坏；（2）当煤层煤质较软弱时，煤体因自身蠕变和横向变形会释放一定的横向拉应力，当煤所受剪切力超过其抗剪强度时便可出现剪切式破坏；（3）当煤体破碎程度较高，失去自稳能力时便会在重力作用下发生滑落，称之为重力滑落式破坏。

3 工作面片帮情况及片帮因素分析

3.1 片帮情况分析

为了更好地掌握12012松软煤层大采高工作面煤壁片帮情况，对工作面5个周期来压范围内的片帮情况进行统计分析，观测频率为每测1刀，统计结果见表1。

表1 12012工作面煤壁片帮情况统计分析

由表1可知，12012工作面煤壁片帮程度较严重，其中在非来压期间工作面上部、中部和下部片帮率分别为17.2%、22.4%和19.6%，平均为19.73%；来压期间煤壁片帮程度有加剧现象，工作面上部、中部和下部片帮率分别为32.1%、50.3%和35.7%，平均为39.37%；来压前整个工作面煤壁片帮深度相差不大，分布在1250～1320mm 间，来压时煤壁片帮深度分布在1380～1465mm 间。现场观测发现，采煤机过后，总是出现不同程度的片帮情况，且在过顶板破碎带或者断层时片帮现象加剧，片帮时偶尔出现轻微“啪啪”劈裂声响。

3.2 片帮因素分析

根据12012工作面煤壁片帮情况分析，结合煤岩体岩性和开采条件进行综合分析，认为引起该工作面煤壁片帮的主要因素是：

（1）该工作面煤质松软，硬度系数f=0.8～1.2，且煤体节理裂隙发育程度较高，其内聚力和粘结性较低，在矿压压力作用下和回采扰动作用下极易发生片帮。同时，由于该煤层松软易碎，其超前支撑压力分布区域变大，造成煤壁前方塑性区增大，容易导致片帮。

（2）该工作面顶底板岩性复杂，其中伪顶和直接顶较易冒落，基本顶强度较大，冒落困难，基本顶及其上方岩层压力通过下方岩层传递给煤体和支架，当基本顶来压时，基本顶发生弯曲、破断和旋转，造成煤体所承载应力急剧增大，最终导致片帮发生。

（3）开采理论和数值模拟均表明随着工作面采高的增加，煤壁片帮程度有加剧趋势〔4〕。12012工作面采高已达5.5m，且煤体强度和自承载能力较弱，容易引起片帮。

（4）采场支护不合理是造成工作面煤壁片帮的主要因素之一。通过现场支架载荷变化观测，发现整个工作面液压支架初撑力普遍较低，初撑力合格率不足21%，这样难以对顶板形成主动支护作用，造成顶板压力传递至煤壁煤体，引起煤壁片帮现象发生。

（5）推进速度较慢也是引起12012工作面煤壁片帮的重要因素。由于该工作面采高较大，煤质松软，围岩条件较复杂，造成工作面推进速度较慢，尤其是在处理大面积片帮、冒顶和过地质构造带时一个生产班只能完成一刀煤。这样就造成工作面顶板累计下沉量不断加大，对裸露的煤体持续作用，也容易导致煤壁片帮程度加剧。

4 煤壁片帮控制措施

针对12012工作面片帮具体情况，采取了如下控制措施：

1）在过断层构造带和顶板破碎带时有选择性地加固煤体，加固煤体的主要方法有化学注浆加固、木锚杆支护加固和工作面联网等，其中化学注浆加固施工速度快、加固效果好，且不影响正常回采作业。12012工作面在过断层时采用注射马丽散对煤体和顶板进行加固，快速、安全通过断层，较好的减弱了煤壁片帮程度。

2）合理控制采煤高度，严禁超高采煤，在过特殊地带时可以适当降低采高。

3）对松软煤层注水可以提高煤体粘结性和控制扬尘的生成量，12012工作面在推进至80m 后开始采用煤层注水，相比于注水前，煤壁片帮率减小10.4%。既降低了工作面粉尘量，又有助于实现综采工作面经济效益和社会效益的同步提高。

4）加强采场支护，加强乳化泵站压力和供液管路的管理和维护，适当提高升架时间，确保支架初撑力符合要求。在采煤机过后，及时打开护帮板，对于顶板不稳定地带可以实行超前移架，可以有效地对煤壁片帮进行控制。

5）适当提高推进速度，当过断层和顶板破碎带时，可提前进行煤体和顶板加固，这样不仅可以有效预防片帮，同时还可以减小对工作面推进的影响程度。

通过这些措施的实施，12012软煤层大采高工作面片帮现象大幅度降低，有效避免了煤壁片帮、顶板冒漏生产事故的发生；同时也降低了工作面粉尘量，也有效地降低尘肺病的发生率，为提高矿井综合效益奠定了基础。

〔1〕华心祝，谢广祥.大采高综采工作面煤壁片帮机理及控制技术〔J〕.煤炭科学技术，2008，36（9）：1-3.

〔2〕纪有利，翟英达，韩 丰.软煤层大采高工作面煤壁片帮机理及预防措施〔J〕.山西煤炭，2011，31（1）：42-44.

〔3〕宁 宇.大采高煤壁片帮冒顶机理与控制技术〔J〕.煤炭学报，2009，34（1）：50-52.

〔4〕宋朝阳.寺河矿大采高工作面煤壁片帮机理及防治措施〔J〕.煤炭技术，2007，26（4）；52-54.