工作面煤壁片帮原因的分析研究

柯贤栋，姚文华

（霍州煤电集团有限责任公司回坡底矿，山西霍州 041600）

工作面煤壁片帮原因的分析研究

柯贤栋，姚文华

（霍州煤电集团有限责任公司回坡底矿，山西霍州 041600）

结合回坡底煤矿10号煤106工作面煤壁片帮情况，通过对106工作面矿压观测数据、煤壁片帮程度及地质资料的分析研究，最终确定10-106工作面一直片帮的主要原因是工作面按仰采方式推进，而工作面顶板来压、煤层本身存在的一些地质构造及长时间的停采只是片帮现象加剧的原因，对以后回采工作面现场支护及片帮防治技术具有一定的借鉴作用。

煤壁片帮；仰采推进；顶板来压；地质构造

随着煤矿机械化程度的不断提高，工作面煤壁的长度及高度都有了很大的改观，与此同时，由于煤层及上覆岩层的自重、工作面的布置形式、地质构造方面等因素的影响，工作面煤壁片帮问题也越来越突出[1]。煤壁片帮不仅影响工作面的正常生产，而且片帮时易引起冒顶事故，造成支架被压死，煤壁上掉落的大块煤矸也会损坏工作溜子等设备，片帮处飞溅的煤块还可能造成作业人员的伤亡[2]。本文通过对回坡底矿106工作面矿压观测数据、煤壁片帮程度及地质资料的研究分析，得出了106工作面片帮的主要原因，对以后回采工作面现场支护及片帮治理技术都具有指导意义。

1 工作面概况

回坡底矿10-106工作面煤层属于10号煤，普氏系数f=0.9～1.1，属松软煤层，该面位于东一采区轨道巷前进方向右翼，正、副巷长度均为1 436 m，切巷长度为251 m，工作面底板标高为+485～+510 m，低于K2静水位（约+560 m），工作面大部分处于带压（O2静水位+520 m）区域，回采期间工作面直接充水水源为上覆K2灰岩水，工作面共安装167架ZY7200-16.5/32型液压支架，每一架上均安装有矿压在线监测仪表，2013年7月23日开始初采，8月9日老顶全部垮落，截止2014年4月20日0点班工作面正巷推进750.5 m、副巷推进750 m。根据工作面回采情况，该面自开采以来煤壁一直伴随有不同程度的片帮现象。

2 煤壁片帮原因分析

通常影响工作面煤壁片帮的因素包括矿压因素、工作面的布置、地质构造因素（煤层埋深、采高、节理裂隙、断层等）、支架的工作状态等[3]。通过对各因素进行分析，从而最终确定106工作面片帮的主要原因。

2.1 矿压因素

通常遇到工作面片帮的问题时，首先想到的就是周期来压。来压期间，工作面在线监测数据会明显变大，即顶板压力突然增大，如此就会引起工作面前方煤壁支承压力的突然增加，从而会引起煤壁上大块煤体滑落及小块煤飞溅出来的片帮现象，同时会在煤壁前方没脱落的煤体内形成大量的节理或裂隙，当割煤机一旦开机，就会引起机组周围及前方范围内煤体的二次片帮。这就是矿压因素的影响。106工作面四月份矿压统计数据，如表1所示。

从图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，而这段时间的片帮区域据现场观测也比平时的片帮区域大的多；图2中反映出4月6日-4月12日支架压力出现40 MPa以上的每天都有，从现场的情况来看，片帮的严重程度（不论深度还是煤块体积的大小）明显大于平时。

表1 矿压观测数据

图1 矿压为35 MPa以下支架数目曲线图

图2 矿压为35 MPa以上支架数目曲线图

从上面图表的分析可以看出，工作面来压期间，片帮区域、深度及煤块大小的确比平时严重很多，但是据我们观测，106工作面开采以来一直伴有或轻或重的片帮，只是在来压期间程度上更加剧烈，也就是说工作面来压是片帮加重的一个重要因素，但不是106工作面一直伴有片帮的主因。

2.2 工作面布置

106工作面的推进方式为仰采，从1062巷往里走一直到工作面，整个路程都是下山，查阅1061巷和1062巷的地质剖面图，从两巷导线点标注的标高上来看，两巷从外往里标高越来越小，同时可以计算出两巷的坡度在0°～14°之间。

1）从力学角度去分析仰采导致片帮的机理。根据106工作面两巷地质剖面图可知，106工作面推进方式为仰斜开采，图3为106工作面煤层及顶板结构的受力分析图。

图3 106工作面煤层及顶板结构受力分析图

上图中，煤层及顶板的自重G沿斜面的分力F1=Gsinθ直接指向工作面煤壁，也就是说沿斜面方向的所有压力全部集中在了工作面的煤壁上，其主要着力点主要位于煤壁的中间区域，这样煤壁内会产生横向的拉应力，由于煤层本身属于松软煤层，松软煤层就会产生一定的变形来对这种应力进行缓冲储存，但由于这种应力往往来的太快，且伴随的能量是非常巨大的，一旦这种应力超过煤体本身变形储存的能力时，其中的能量就会冲破煤体释放出来，从而造成部分煤体沿煤壁滑落或飞溅，引起片帮，尤其是来压期间或停采过一段时间后再开机显现的更为明显。据106台账记录，在4月份开采前，停采过10 d左右的时间，这种长时间的停采，会使顶板的下沉位移量增大，而顶板的下沉会进一步加大对工作面煤壁的压力，这就是停采后再开机片帮现象明显的原因。

2）从片帮程度去分析仰采导致片帮的机理。现场观测记录的煤壁片帮情况，如表2所示。

表2 煤壁片帮记录表

从表2中可以看出片帮区间长度最长的在81号-125号之间，片帮深度最深的也在81号-125号之间，即工作面片帮程度最严重的在工作面煤壁的中部及偏机尾方向，而这个范围是煤壁上压力承受的集中区域，与前面力学角度分析的也相吻合。

通常，我们计算片帮深度[4]所用公式如下：

仰斜开采D=Mtan（c+θ-φ/2）.

俯斜开采D=Mtan（c-θ-φ/2）.

水平开采D=Mtan（c-φ/2）.

式中：D为片帮深度，cm；M为采高，cm；c为常用系数,30°～45°，θ为仰采角度，0°～14°；φ为煤体内摩擦角16°～40°的坡度之间。当两巷坡度θ取0°～14°范围时，代入仰斜开采公式中，算得片帮深度D在45～116 cm之间，与表2中来压期间工作面中部81号-125号之间的片帮深度50～120 cm基本相符。

比较上述公式，可以得出，工作面仰采推进的煤壁片帮深度，相比同一条件下的俯采推进或水平推进来说要深得多，也就是片帮程度严重得多，且仰采角度越大，片帮越明显。

综上两方面可看出，工作面按仰采推进是煤壁一直片帮的主要原因，而工作面来压或长时间的停采只让是片帮现象更加严重、突出。

2.3 地质构造方面因素

1）断层。经过到106工作面现场的观察了解，在43号支架、123号支架前后一定范围内出现了落差在30 cm左右的小断层，使顶底板发生变化，断层面两侧的煤体发生错移，这就导致了整个工作面两边高中间低的现象，从而造成了煤壁支承压力分布不均，局部压力过大。当割煤机割到断层附近时必须把割煤机的速度降下来，否则割煤机就会割到断层另一面的顶板或底板。割煤机一慢下来，其前后方支架与煤壁间的空顶时间就会增加，煤壁得不到及时支护，加上断层附近煤体及顶板岩层比较破碎、煤体本身比较松软，就容易引起煤壁的片帮。

2）节理裂隙。根据现场观察，煤壁上的节理裂隙是非常少的，片帮区域看到的煤壁上的些许节理和裂隙多数是矿山压力造成的次生节理、次生裂隙，这些节理裂隙会使煤体本身更加相对松散，从而对煤壁的片帮产生一定的影响，但这不是主要原因。

3）煤层的层理。根据现场的观察，煤层的层理基本上都是水平的，煤壁前的支撑压力及割煤机开机引起前后范围的震荡对于这样的层理都不会造成明显片帮，如果煤体内竖直层理或斜层理比较多，就容易引起片帮。

4）煤的硬度。10-106属10号煤，其普氏系数f=0.9～1.1，也就是说10号煤属于松软煤层，它是既松又软，松就反映了煤本身较脆、结构较松散，这样只要施加一定的压力它就会破碎或滑落，从而引起片帮，这是片帮的微观因素，不是主要因素。

5）采高与埋深。随着采高的增加工作面顶板压力就会增大，煤壁前方的支承压力也随之增加，从而加剧了煤壁的片帮；而随着埋深的加大，煤壁塑性区的宽度和深度都会增加，这也会加剧片帮的发生。但是这两个因素都是在一定条件下才会成为主要影响因素，如进行综采放顶煤的工作面。而一般对于3.5 m以下的煤层及埋深在300 m左右的浅埋煤层，这两因素影响基本不大。所以说这两个因素不会成为10-106工作面煤壁片帮的主要因素。综上可以看出，10-106面地质方面主要影响因素是煤体本身硬度、少许的断层、次生的节理裂隙，剩下的其他地质因素对106工作面基本没影响。

2.4 支架的支设形式

由于106工作面是仰采，支架的支设自然为头朝上、后仰式，这种支设状态会使支架的支撑力得不到充分发挥[5]，从而工作面煤壁就会分担承受更多的来自顶板方面的压力，当煤壁承受的压力超过煤体的强度极限，就会导致煤体发生变形破碎，从而发生片帮。

3 结论

1）106工作面一直片帮的主要原因是工作面按仰采方式推进，而工作面来压或长时间的停采只是让片帮现象更加严重、突出。

2）106工作面地质方面主要影响因素是煤体本身硬度、少许的断层、次生的节理裂隙，这些因素会对片帮会造成一定的影响，但只是局部的微观的，真正起作用的还是仰采、工作面来压等宏观因素。

3）支架后仰式的支设状态会使支架的支撑力得不到充分发挥，来自顶板的压力就会将部分压力传到煤壁上，最终引起片帮。不过支架的这种后仰式的支设状态还是因为工作面按仰采方式推进造成的。

4）106工作面支架的安全阀开启压力为42MPa，从表1统计的矿压数据来看，一旦工作面来压，压力极有可能超过42 MPa，从而可能导致片帮的大块煤压垮溜子、压死支架及伤人事故，所以，来压期间一定要加强工作面的支护及加固煤壁，尤其到工作面的末采和回撤阶段，必须得提前采取支护加强措施。

[1]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[2]董事举.赵固二矿大采高工作面煤壁片帮机理及注水防治技术研究[D].焦作：河南理工大学，2012.

[3]李建国，田取珍，杨双锁.综采放顶煤工作面俯、仰斜开采对煤壁片帮的影响机理研究[J].太原理工大学学报，2004，35（4）：407-409.

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

[5]王军.工作面煤壁片帮的原因与预防方法[J].煤炭技术，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

（编辑：武晓平）

2015-02-07

柯贤栋（1971-），男，山西襄汾人，大学本科，工程师，从事煤矿井下生产技术研究及安全管理工作。