试谈综采工作面煤壁片帮机理及防治技术

雷振华

摘要：本文主要分析了矿压是如何造成煤壁片帮的，以及采用仰伪斜走向长壁式开采时，煤体自重是怎样加速片帮的原因做出了力学分析。并对于片帮的防治提出了一些针对性措施。

关键词：煤壁片帮；矿压；煤体自重；仰伪斜；挡矸网

1、前言

煤体在未开采前，在自重应力场和构造应力场构成的原岩应力场作用下，煤体保持一个三向应力相对平衡状态。由于采动的影响破坏了原岩应力的平衡状态，岩层形成了一个由“煤壁—工作面支架—采空区冒落矸石”的新的平衡体系。根据压力拱假说可知，拱的一个支撑点在工作面前方煤壁。因此，煤体的支承压力增大，而煤壁法向方向的应力却几乎减小为零。平衡破坏后，煤体处于二向应力状态，其抗压强度大大降低，煤体就会产生裂隙、离层逐渐破碎，从而造成了煤壁片帮。三汇一矿21203南工作面煤质松软、构造频繁且采用仰伪斜走向长壁式采煤法，这些因素都容易诱发煤壁片帮，而且因片帮还常常造成工作面端面处的顶板冒空。不仅给安全带来了隐患而且影响了工作面的推进速度。因此，研究煤壁片帮的原因，对于安全和生产都具有极其重大的意义。

2、概况

三汇一矿21203南工作面位于+590m水平N2采区，介于10勘探线以北70m处，11勘探线以南286m处。该面倾斜长度为123m，走向长度为399m。该面上部为已回采的2112、2113工作面，下部为未开采区域；北部为正在准备的21203北综采工作面，南部为已回采的N21201工作面。该采区内的煤层厚度为0.9～3.0m，平均厚度1.93m，采用综合机械化开采。由于工作面平均倾角达到33°，所以工作面采用仰伪斜走向长壁式采煤法，工作面长度为142.5m，机巷始终超前风巷在20m～25m之间。

3、引发煤壁片帮主要原因分析

21203南工作面构造频繁，加之煤层自身产状不稳定、节理裂隙发育、煤质比较松软，经常发生煤壁片帮，严重制约了安全生产。煤体发生片帮的原因是各种因素综合作用的结果。煤体在矿压和自重作用下就可能造成煤体内部破坏从而形成了节理和裂隙，最终造成煤壁的片帮。可以说，煤体矿压和自重是造成煤壁片帮的主要两个因素。当然，它们对片帮的影响并不是独立存在的，这里只是为了分析方便才将其单独列出分析。

3.1 煤体在矿压下的的受压破坏

在“煤壁—工作面支架—采空区冒落矸石”的支撑体系中，煤体承载着上方悬落岩层的大部分重量。如图（1）所示，煤壁附近的压力相对较小，应力的大小也随着前方煤体与煤壁的距离增加而近似呈线性增长，直到达到应力峰值。由于应力峰值前方的煤体区域距离煤壁距离过远，对煤壁片帮的影响相当有限。所以，对于峰值前方的煤体对煤壁片帮的作用暂不作分析。煤体自重相对于矿压在垂直于煤层方向的作用力甚乎其微，因此也可以排除其影响。

煤体在上覆离层岩层的重力作用下，煤体内部会发生弹性形变和塑性形变，而弹性变形的表现形式就是煤壁片帮。由图（1）知，煤壁相对于前方煤体所承受的应力要低很多，所以，就会造成煤壁附近的变形量远小于煤壁前方煤体的变形量。由于煤壁和前方煤体的向工作面的弯曲程度不同，从而造成了煤壁附近煤体与前方煤体产生新的节理、裂隙、离层，最终导致煤壁发生片帮。如图（2）所示。

3.2 仰斜开采煤壁片帮的重力影向

21203南工作面由于倾角过大，出于对综采设备的防滑、防倒的考虑，将工作面布置为仰伪斜走向长壁式开采。但是这种布置方式却使煤壁更容易片帮。

根据图（1）知，煤壁附近所受的应力相对较底，因此，可暂不考虑矿压在煤层倾斜方向对煤壁片帮的影响。

煤体自重在煤层倾斜方向的作用力，是诱发煤壁片帮的一个重要因素。如图（3）所示，煤层因重力作用，在煤层真倾斜方向有一分力Gsinα。又如图（4）所示，重力分力Gsinα对于机巷A点形成一个力矩M。当煤体松软或者出现裂隙、节理等造成内聚力不足以与力矩M相平衡时，就会造成煤壁的煤体旋转失稳脱落，也就是煤壁发生片帮。

4、煤壁片帮的预防措施

4.1 工作面的推进速度

加快工作面的推进速度，可以减少支承压力对煤体的作用时间从而可以缓解煤壁的片帮程度。21203南工作面属于瓦斯突出危险性煤层。因此，必须对其先抽后采，这就严重制约了工作面的推进速度。但是，这是防治瓦斯突出的必要措施；所以，就只能从提高综采设备的可靠性、开机率方面着手预防。因此，必须加强对综采设备的管理，及时排查消除机电设备隐患，所有设备必须达到机电完好标准，否则不得使用。所有电器设备，综机设备实行包机维护、检修管理，保证设备正常运转。从而减少因机电设备事故导致工作面停止推进，引起片帮掉顶事故的发生。

4.2 支架的支护管理

液压支架合理的工作阻力可以减小顶板对煤体的压力，从而减轻煤壁的片帮。因此，必须确保工作面的所有支架都达到初撑力，并保证其正常接顶。生产过程中必须重视对液压系统的管理维护，保证泵压达到30MPa，否则严禁升降支架。

液压支架对顶板和煤壁的及时支护也能很大程度的减少煤壁片帮。当割煤机通过后，支架必须及时伸出前探梁对新暴露出来的顶板进行支护，并打开护煤板撑住煤壁。护煤板对煤壁施加一个侧向力，不仅可以防治一些已经松动的煤块受重力影响而脱落，而且使煤体重新回到三向应力状态，从而提高了煤体的抗压强度，也就从源头上减少了煤壁片帮的可能性。

4.3 高分子档矸网的使用

21203南工作面在走向和倾向上都使用了一种高分子挡矸网。这种网不仅柔性好而且韧性高，所以运输、储存、使用都很方便，而且对动能较大的煤矸具有很好的缓冲效果。挡矸网的使用对因煤壁片帮、割煤机甩煤、工作面冒顶等煤矸滚落伤人事故起到了一定的防治作用。但是，当工作面打排放、效检或是设备检修、清理浮煤时，都要将挡矸网卸下进行作业；然而，当工人作业完毕后由于种种原因，经常没能将挡矸网恢复挂好，这无疑给安全生产带来了隐患。所以，必须加强对员工的管理和教育，必要时可以采取一些经济上的处罚。

5、结语

导致煤壁片帮的因素多种多样，但是不外乎两种主要因素：内因和外因。内因包括煤体所受到的原岩应力情况、煤层的赋存条件和煤体本身的力学性质等特征。这些因素导致的煤壁片帮，都是我们人为无法改变或者很难作出改变的事实。所谓的外因就是因人工开采方式、人为失误等人为因素造成的煤壁片帮，我们完全可以通过调整或者优化开采方式和工作面的管理来防治煤壁片帮。

参考文献

[1] 《岩石力学与工程》 蔡美峰 主编 北京：科学出版社 2002

[2] 《矿山压力与岩层控制》 钱鸣高 石平五 主编 中国矿业大学出版社 2003endprint