大采高综采工作面片帮机理及控制技术

牛海平+段军

摘 要：本文以嘉乐泉煤矿8101大采高工作面为背景，通过理论分析、数值模拟的方法，对大采高煤壁边帮机理进行了分析，并对采高、支护强度、推进速度对于大采高煤壁片帮的影响进行了数值模拟研究，并根据研究结果提出了相应的应对措施进一步增加煤壁稳定性。

关键词：大采高；综采工作面；煤壁片帮；支护强度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.078

随着煤矿开采设备的不断发展，矿井规模的不断扩大，在各大矿区涌现处理一批大采高工作面，而且采高不断增大，在神东矿区补连塔煤矿已经建立了8m大采高工作面[1-2]。然而在实际开采过程中，工作面片帮严重，严重威胁着矿井的安全生产。由于我国各大矿区煤层赋存条件存在着極大的差异，造成工作面片帮机理各不相同。本文以嘉乐泉煤矿8101浅埋深大采高工作面为背景，对工作面煤壁片帮机理及控制技术进行了研究。

1 工程概况

嘉乐泉煤矿隶属于太原煤炭气化（集团）有限责任公司，矿井主采矿井主采煤层为8号、9号煤层，其中8号煤层厚度3～4.5m，平均4.3m。8101工作面为8号煤层一盘区首采工作面，采高4.3m，倾角1-3°。工作面长度275m，推进长度为1865m，工作面选用ZY12000/35/55的液压支架。煤层直接顶为泥岩，平均厚度为2.5m，基本顶为细砂岩，平均厚度为17.6m，直接底为泥岩，平均厚度5.2m。在实际回采过程中，煤壁严重片帮，由于煤壁片帮导致工作面梁端距增大，长期以往极易造成工作面冒顶事故。

2 数值模拟研究

2.1 数值模型建立

本文采用UDEC数值模拟软件，建立平面应变模型，对大采高工作面片帮影响因素进行了研究。根据工作面顶板不同的性质划分为不同的块体，施加边界条件，上部条件为自由边界；两侧为位移和速度边界条件，两侧水平位移、速度均为零；下部边界条件为固支[3]。模拟不同支护强度、不同采高、不同推进速度对于工作面煤壁片帮的影响。

2.2 模拟结果分析

2.2.1 采高对于煤壁片帮的影响

图1为不同采高情况下煤壁前方水平应力分布，由图可以看出，随着工作面的不断回采，明显看出工作面上覆基本顶发生了离层变形，导致在工作面煤壁前方形成了应力集中，集中应力影响范围不断向煤壁深处扩展，采高4m时，煤壁前方水平应力为10MPa，采高5m时煤壁前方水平应力为14.7MPa，采高6m时，煤壁前方水平应力达18.2MPa。随采高的不断增大，煤壁前方的水平应力逐渐增大，煤壁的稳定性势必变差，导致严重片帮。

2.2.2 工作面推进速度对煤壁片帮的影响

模拟过程中用运算时步来模拟工作面推进速度，有图可以看出，随着工作面推进速度增加，工作面煤壁片帮深度及片帮面积都出现了不同程度的降低。且速度增加到一定程度时片帮变化不大。当工作面推进速度为6m/d时，片帮的最大深度为0.81m，最大片帮面积为1.12m，继续增大推进速度，对于片帮影响不大。因此选择合理的工作面推进速度对于控制煤壁片帮意义重大。

3 煤壁片帮控制技术

根据以上理论计算机数值模拟结果，结合嘉乐泉8101工作面实际情况，提出了以下具体控制措施：

（1）采高越大，工作面煤壁水平应力越大，有效的控制工作面采高，及时打出护帮板进行二次支护，可以有效防治煤壁片帮。

（2）工作面推进速度对于煤壁片帮存在一定的影响，8101工作面推进速度保持在6m/d时能有效的控制煤壁片帮，加快工作面推进速度，避免了煤层长时间处于静止状态，收到顶板变形的影响，导致煤壁内部集中应力增加从而加剧煤壁片帮。

4 结论

（1）通过数值模拟试验，结合对于8101工作面实际情况，当工作面支护强度等于或大于2MPa，推进速度大于或等于6m/d，适当降低工作面采高时，可以有效的防止煤壁片帮。

（2）针对理论分析及数值模拟计算结果，提出了降低采高、增加推进速度、合理运用护帮板等措施来进一步增加煤壁稳定性。

参考文献：

[1]王家臣.极软厚煤层煤壁片帮与防治机理[J].煤炭学报，2007，32

（08）：785-788.

[2]尹希文，闰少宏，安宇.大采高综采而煤壁片帮特征分析与应用[J].采矿与安全工程学报，2008，25（20）：222-225.

[3]闫少宏，尹希文.大采高综放开采几个理论问题的研究[J].煤炭学报，2008，33（5）：481-484.