综放工作面煤壁片帮与顶煤冒放关系及控制措施研究

张慧君

【摘 要】 针对综放工作面煤壁片帮严重的问题，以山西某矿综放工作面地质条件为基础，对比分析了综放工作面与一次采全高工作面的煤壁片帮机理，得出综放工作面顶煤放出后变相增加了工作面煤层的开采高度，并且综放面推进速度的降低导致工作面煤壁裸露在外的时间加长，煤壁发生片帮的概率和片帮深度均比较大。根据该结论，从支架初撑力、顶梁结构以及护帮结构三方面对综放工作面煤壁控制措施进行了研究，从而有效减弱工作面煤壁片帮情况，提高煤壁稳定性。

【关键词】 综放工作面;煤壁片帮;冒放性;控制措施

【中图分类号】 TD327.2 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）04-0029-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

随着科技水平的提高，矿井机械化生产水平也在不断地提升，我国对于厚及特厚煤层多采用综放开采方式，这种方法煤炭采出量大，开采效率高，目前在多数矿井均已普及。但随着工作面煤炭采出量的增大，工作面煤壁出现片帮的现象也在加剧，这对矿井的安全生产影响较大。工作面煤壁片帮会受到多种因素的影响，目前国内外对于工作面片帮的影响因素研究主要集中在采高，對综放工作面顶煤冒放性与煤壁片帮的机理分析较少。本文以山西某矿综放工作面地质条件为基础，采用理论分析与数值模拟的方法对综放工作面煤壁片帮与顶煤的冒放性之间的关系进行了研究，研究结果可对现场工作面的生产起到一定的指导作用。

1 矿井概况

山西某矿开采煤层为3#煤，煤层厚度在9.4～19.5m范围内，平均为14.5m，煤层倾角平均为2°，煤体普氏系数为2.6～3.8，属于中等强度煤体。矿井工作面采用综放开采方式，工作面采高为4.0m，放煤高度为10.5m，工作面的采放比为1∶2.6。工作面直接顶岩层岩性为砂质泥岩，基本顶岩层岩性包括细砂岩与粉砂岩，岩层强度较高。根据工作面开采过程中现场的矿压观测结果，工作面开采过程中煤壁片帮情况比较严重，特别是在工作面放煤环节，煤壁片帮体积与深度均较大。

2 综放工作面片帮机理分析

2.1 综放工作面煤壁破坏机理分析

对工作面煤壁片帮机理进行分析，工作面煤壁片帮形式主要包括两类：

煤体沿滑移线发生剪切破坏。由于工作面开挖后，顶板岩层会产生向下运动的趋势，并对煤壁产生剪切作用力，当该作用力大于煤体极限抗剪强度后，煤体将沿着θ=45°+φ/2（φ为内摩擦角）的滑移面进行滑动，从而出现片帮现象。

煤体发生拉伸失稳破坏。工作面开采高度增大后，工作面开采产生的超前支撑压力影响范围将会增大，煤壁前方煤体由原来承受的压应力逐渐转化为拉应力，且拉应力影响区域也在增大，当煤体受到的拉应力大于其极限抗拉强度后，煤体将出现拉伸破坏。

由上述分析可知，煤壁片帮现象的发生主要取决于顶板对煤壁的载荷作用，一般顶板岩层对煤壁的载荷作用会随着采高增大逐渐升高，为验证这一点，在该矿井现场对工作面不同采高下煤壁的片帮情况进行了观测，图1为工作面煤壁片帮量与采高变化曲线。根据观测结果，当工作面的机采高度增大后，煤壁发生的片帮现象逐渐加剧，片帮控制难度增大，特别是机采高度大于4.2m后，煤壁片帮量呈加速上升状态。

上述分析主要针对煤层一次采出的情况，由于综放工作面存在着放煤流程，因此煤壁片帮机理与普通大采高开采存在着一定的区别，为分析综放工作面煤壁片帮机理，以该矿井工作面条件，采用FLAC3D数值模拟软件对其进行了对比分析。图2为一次采全高开采方式和综放开采方式下煤壁破坏示意图。

从图中可以看出，工作面在采用综放开采方式下，支架上方煤体主要受到拉伸破坏，顶煤破坏呈现“匕首”形态，而煤壁前方煤体主要受到剪切破坏。对煤体的破坏区域分析可知，煤壁前方的塑性破坏区主要位于整个煤层开采后形成的塑性破坏区下方，塑性区大小不仅会受到工作面机采高度的影响，同时会受到顶煤冒放后产生的叠加影响。对比两种开采方式下煤壁前方的塑性区深度，采用综放开采时煤壁前方塑性区深度为3.1m，采用一次采全高时煤壁前方塑性区深度为2.4m，表明在机采高度相同的情况下，采用综放开采时的煤壁塑性破坏区要明显大于一次采全高方式，煤壁片帮程度更加严重。

2.2顶煤放出对煤壁片帮的影响机理分析

采用综放开采方式，在支架顶梁的掩护作用下，顶煤会对煤壁前方煤体产生水平作用力，从而减小顶煤出现水平方向位移，如图3所示。在工作面顶煤放出后，工作面煤壁会失去顶煤的水平作用力，此时工作面的煤壁高度等同于工作面机采高度与放煤高度之和，即工作面放煤后变相增加了工作面煤层的开采高度。此外，由于综放开采下工作面的推进速度要低于一次采全高方式，导致工作面煤壁裸露在外的时间加长，因此采用综放开采工作面煤壁发生片帮的概率和片帮深度均比较大。

由于综放工作面顶煤的放出机理类似于煤壁片帮，两者均是在矿山压力作用下煤体破坏失稳导致，因此可以将工作面顶煤的放出视为顶煤的“片帮”效应。从综放工作面生产效率来看，顶煤的“片帮”效应越大，工作面生产效率和煤炭的采出量越大，但顶煤放出后煤层开采高度的增大会加剧煤壁片帮情况，因此顶煤放出与煤壁片帮存在着明显的矛盾关系，寻找控制煤壁片帮现象但又能有效放出顶煤的技术措施十分关键。

3煤壁片帮控制措施研究

根据上述研究结果，本文提出从支架初撑力、顶梁结构以及护帮机构三方面来控制煤壁片帮现象，同时能够有效放出顶煤。

3.1提高液压支架初撑力

过去大量研究结果表明增大工作面液压支架的初撑力可对煤壁片帮起到一定的控制作用，但工作面生产过程中支架的初撑力往往并不达标。为分析现场支架初撑力分布情况，对工作面各位置支架的初撑力进行了观测，图4为观测结果。

从图中可以看出，液压支架在工作面推进过程中的平均初撑力大多小于8000kN，而支架的额定初撑力为12000kN，相对比支架工作时的初撑力明显较低，表明支架并不能在接触顶板时起到足够的支撑作用，这也是导致煤壁出现片帮现象的原因之一，因此提高工作面液压支架的初撑力可在一定程度上缓解煤壁片帮的情况，同时在顶煤放煤方面，也有利于支架对顶煤的破碎作用，提高放煤效率。

3.2改变支架顶梁结构

综放工作面常用的液压支架顶梁结构主要有两类，包括整体顶梁结构和铰接顶梁结构，采用整体顶梁结构的支架煤壁在水平方向的位移较小，顶煤对煤壁的作用力较小，并且支架在多次作用顶煤后，能够对顶煤起到一定的破碎作用，从而提高对顶煤的冒放效果。

3.3选择合理护帮结构

选择合理的支架护帮结构能够有效减少片帮现象的出现，对于综放工作面，常用的液压支架护帮结构主要有两类，包括护帮板与伸缩梁连体结构、护帮板与伸缩梁分体结构，两种护帮结构如图5所示。

目前大多数综放工作面液压支架多采用连体结构，采用这类结构时，往往会导致伸缩梁无法与煤壁充分接触，梁体结构仅对顶煤具有支撑作用，无法有效地控制煤壁的位移与变形。由于煤壁出现最大水平位移的位置约在0.65倍机采高度处，该位置煤壁应为主要控制点，但采用连体结构无法对该位置起到护帮作用。若采用分体结构，顶梁不仅可以对顶煤起到支撑作用，同时伸缩梁可对煤壁产生一个水平支护力，从而可以控制煤壁出现变形破坏，因此建议该矿井综放工作面液压支架采用护帮板与伸缩梁分体结构。

4结论

（1）对比分析了综放工作面与一次采全高工作面的煤壁片帮机理，得出综放工作面顶煤放出后变相增加了工作面煤层的开采高度，并且综放面推进速度的降低导致工作面煤壁裸露在外的时间加长，因此采用综放开采工作面煤壁发生片帮的概率和片帮深度均比较大。

（2）从支架初撑力、顶梁结构以及护帮结构三方面对综放工作面煤壁控制措施进行了研究，从而采取合理措施有效减弱工作面煤壁片帮情况，提高煤壁稳定性。

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