浅埋大采高综采工作面煤壁片帮控制研究

宋沛鑫

【摘 要】 本文针对山西某矿大采高综采工作面煤壁片帮严重的问题，分析了大采高综放工作面煤壁片帮现象发生的机理及影响煤壁片帮的因素，并结合该矿浅埋2#煤层的生产地质条件，得到如下结论：当煤层开采期间，煤岩层由平衡状态-非平衡状态-平衡状态发生转变，当煤壁应力状态达到或超过其极限应力状态时，煤壁片帮现象就会发生，而影响煤壁片帮的主要因素包括煤层及顶板岩层特征、开采技术指标、支架围岩关系，因此通过改进大采高综采工作面中液压支架和对工作面煤壁进行加固可以对煤壁片帮现象的发生进行控制。

【关键词】 浅埋煤层;大采高;综采;煤壁片帮

【中图分类号】 TD32 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）04-0032-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1引言

煤壁片帮的出现往往会造成生产工作面操作人员的伤亡、矿井重要生产设备的损坏，另外，工作面煤壁出现片帮还会导致前方煤壁附近出现直接顶岩层的大面积冒落，威胁到矿井生产工作面的人员安全、设备可靠性等问题。因此，合理有效地控制好煤壁片帮问题的发生，将减少生产工作面内液压支架倒歪现象的加剧，缓和工作面内液压支架与煤层顶底板岩层的相互关系，避免综采工作面出现顶板事故。浅埋煤层存在煤层赋存深度和基岩厚度都比较小的特点，煤壁片帮异于深埋煤层。因此，对浅埋煤层煤壁片帮进行研究不仅对浅埋煤层生产工作面的生产效率起到关键性作用，同时也有助于对浅埋煤层生产工作面的安全生产提供重要保障。

2工程概况

某矿当前主采2#煤层，厚度为6.36m，埋深约为180m。28403为大采高综合机械化采煤工作面，28403大采高综采工作面的煤岩层综合柱状图如图1所示。2#煤层顶板岩层为强度相对较低的泥岩岩层和泥质砂岩岩层，煤层赋存的直接顶岩层为泥岩岩层，主要为泥质构造，其次包括少量细粒沙质构造，成分主要为石英和长石，并含有大量的高岭土成分，而基本顶岩层主要为中粒沙质构造，还包括部分泥质构造，主要成分则包括石英、长石和少量高岭土。

3煤壁片帮机理及其影响因素

3.1煤壁片帮机理

由于煤层在形成后存在明显的不均匀特征，同时煤层的情况往往呈现出范围分布的特点，即在很大程度上呈现出一定的连续性。在煤层形成后，地层处于三向应力平衡状态。在煤层的不断开挖过程中，由于开采扰动的作用，工作面前方煤壁原有的平衡状态瞬间被破坏，三向平衡状态瞬间转变成为非平衡状态，赋存在地壳中的煤岩层受到的垂直和水平应力瞬间分别增大和减小，另外，煤岩体内的水平和垂直应力也会重新分布，并逐步达到新的平衡状态。煤岩体内的应力在重新分布过程中，煤岩体内在顶底板相互作用下产生大量的次生节理和裂隙，节理和裂隙不断发展、贯通，使得煤岩体的完整性受到影响，进而导致工作面煤壁出现片帮现象。

在煤层硬度较小或者煤层一次开采高度较大的工作面中，煤壁出现片帮的现象更为严重，由于在此类工作面中煤体的自稳性和自承载能力均较差，在大采高综采工作面中，工作面顶板所呈现出的矿山压力异常剧烈，工作面前方煤壁内煤体将会呈现出平衡状态-非平衡状态-平衡状态的转变，在煤壁受到的应力状态达到或超过其极限应力状态时，煤壁内部节理和裂隙最为发育的位置优先出现破碎和塌落，当煤壁中煤体受到的应力继续增加时，就会出现大范围煤壁片帮现象。

3.2煤壁片帮影响因素

在浅埋大采高综采工作面中，存在煤层开采强度大、煤层开采扰动大、“三机”配套装备功率大的特点，因此浅埋大采高综采工作面出现煤壁片帮现象的可能性会更大、煤壁片帮范围更大、片帮影响更严重，而煤壁片帮主要会受到煤层赋存条件、开采技术条件及大采高综采工作面支架状态的影响。

（1）煤层及顶板岩层特征

在该浅埋大采高综采工作面中，由于煤层顶板岩层及煤层均为软弱岩层，且煤岩层的强度较低，同时煤层形成过程中在其内部会形成大量的原生節理和裂隙，因此在大采高综采工作面的开采过程中，极易出现煤壁片帮的现象，同时由于煤层直接顶岩层强度低，煤壁的频繁片帮将会在煤壁前方顶板岩层中出现大范围的顶板破碎区，同时，在这些顶板破碎区中会出现应力集中现象，将会继续出现顶板的冒落和煤壁片帮，从而影响大采高综采工作面的推进。

（2）开采技术指标

大采高综采工作面的推进速度和煤层开采的高度也会严重影响到煤壁片帮现象的出现。当工作面推进速度快时，煤壁前方出现空顶的时间就越少，煤体直接顶岩层作用在煤体上的矿山压力时间就越少，因此煤壁出现片帮的可能性较低。另外大采高综采工作面中，由于煤层的开采高度较大，煤层开采的空间较大，因此在浅埋煤层中，煤层赋存深度较浅，且煤层开采过后顶板岩层强度低，岩石的碎涨系数较小，这样老顶及上覆岩层在矿山压力的作用下不断发生破断并传递至大采高综放工作面前方煤壁当中，从而增加大采高综放工作面前方的煤壁的顶板下沉量和压力，同时煤壁前方也会形成新的次生节理和裂隙，进而使得煤壁的完整性不断遭到破坏、煤壁承载性能不断降低，煤壁片帮现象出现的可能性也进一步增加。

（3）支架围岩关系

工作面煤岩层与工作面内的液压支架的相互作用也会对大采高综采工作面出现煤壁片帮的现象产生影响。当大采高综采工作面内液压支架的初撑力较低时，液压支架顶梁无法与大采高综采工作面直接顶岩层充分接触，因此对顶板的有效支护不够，使得大采高综采工作面中基本顶岩层对工作面实施更大的顶板压力，在浅埋大采高综放工作面中，由于煤层赋存较浅，煤岩层强度较低，大采高综采工作面中前方煤体无法与顶板压力相抗衡，进而出现煤壁片帮现象的发生。

4煤壁片帮的控制措施

（1）改进工作面液压支架

在大采高综采工作面中，由于该矿煤层开采高度达6.36m，在煤层的开采扰动下，工作面前方煤壁中次生节理和裂隙发育更为严重，次生节理和裂隙极其容易在煤壁中部和上部发育，因此需增加大采高综采工作面中液压支架护帮板的长度，以此来控制工作面前方煤壁中次生节理和裂隙的发育，减小对大采高综采工作面煤壁片帮现象发生的概率。其次提高工作面中液压支架的初撑力，同时可以通过提高大采高综采工作面的液压系统工作的稳定性来实现，及时对工作面上覆顶板岩层进行可靠支护，并保证液压泵的压力稳定在30MPa。

（2）提前加固煤壁

由于煤层在赋存条件上存在大量的原生节理和裂隙，在大采高综采工作面的开采扰动影响下，原生的节理和裂隙会继续发育产生次生节理和裂隙。因此煤壁片帮现象出现的可能性会进一步增大，因此可以对大采高综采工作面前方煤壁中、上部进行加固，通过施加外部作用力控制煤壁片帮现象的出现。通过在煤壁内部进行临时锚杆支护，常用的锚杆选用螺纹钢树脂锚杆，长度一般为2000mm，直径一般为18mm，锚杆临时支护示意图如图2所示。

5结论

本文分析了大采高综放工作面煤壁片帮现象发生的机理及其影响因素，并结合山西某矿浅埋2#煤层的生产地质条件，提出相应的控制煤壁片帮出现的措施，主要得到如下结论：

（1）煤壁片帮发生机理为煤岩层由平衡状态-非平衡状态-平衡状态的转变，当煤壁应力状态达到或超过其极限应力状态时，煤壁片帮现象就会发生。

（2）影响煤壁片帮的主要因素包括煤层及顶板岩层特征、开采技术指标、支架围岩关系，因此通过改进大采高综采工作面中液压支架和对工作面煤壁进行加固可以对煤壁片帮现象的发生进行控制。

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