晶鑫煤业综放面煤壁片帮机理及控制技术

张跃兵

（山西阳城阳泰集团晶鑫煤业股份有限公司，山西 晋城 048100）

1 工程概况

阳泰集团晶鑫煤业3217工作面位于矿井西采区+630水平，工作面埋深98～132m，平均110m，地表为山坡耕地，无其他建筑物。3217工作面东为西三级大巷、南为西二级大巷、西为矿界保安煤柱、北为3215采空区。工作面主采3号煤层，平均煤厚4.8m，煤层倾角1～3°，属近水平煤层，采用走向长壁后退式综采放顶煤采煤法，全部垮落法管理顶板，采高2.0m、放顶煤高度2.8m、步距为0.6m。工作面伪顶为砂质泥岩，厚度2.1m，质地松软破碎；直接顶为性脆致密的中粒砂岩，厚度3.3m，裂隙发育，岩心破碎；老顶为灰色细砂岩，厚度9.9m，石英为主，质地较硬；直接底为泥岩，厚度0.6m，性脆致密；基本底为粉砂岩，厚度3.2m，薄层状，含较多砂质泥岩带。

由于3217工作面本身放顶煤工艺和煤层地质条件的问题，采场经常出现煤壁片帮，造成顶板漏冒的问题。片帮或漏冒后产生的煤岩块容易积聚在采场周围，给割煤、运煤、支护工作带来了极大不利影响，耽误了工作面正常生产进程，严重威胁了人员及设备的安全，成为了3217工作面当前亟需解决的主要问题。

2 3217综放面煤壁片帮机理

3217综放面向前推进过程中，顶板经历初次来压和周期来压过程，基本顶破断旋转形成“砌体梁”结构，超前支承压力在深入煤壁一定位置处出现峰值，受超前集中载荷的影响，峰值区域的煤体会出现挤压裂隙发育，煤体变得更破碎。当3217工作面逐渐向前推进的过程中，遇到这部分稳定状态已破坏的煤体时，在支架、顶板、煤体的共同作用下，煤壁位置很容易出现片帮现象[1,2]。

煤壁片帮剥落的煤体厚度都比较小，可以将其视为平面应变问题进行研究，建立如图1所示采场煤壁片帮力学结构，Q为上覆煤岩层重量;Q2为超前支承压力;P为支架支护阻力;θ为支架立柱与水平方向夹角;Q1为顶板传递压力;Q3为顶板岩块回转下沉附加力;T为支护板阻力;p0为滑落体受竖直载荷、R为滑落体受到的支撑反力;R1x和R1z为滑落体底部受摩擦阻力和支撑反力;n为滑落面的法线;ds为滑落面单位面积;dv为滑落体的单位体积;γ为煤比重。竖直方向与水平方向的离得平衡可用下式表示：

图1 采场煤壁片帮力学结构

由图1和上述公式定性可知，影响煤壁滑落体速度矢量的主要因素为顶板载荷、支架护帮板水平力和滑落面的位置，滑落面的位置又和煤体内聚力和内摩擦角紧密联系。煤壁片帮形式主要有拉伸劈裂破坏和压剪滑移破坏，当煤体受超前支承应力峰值影响后变得裂隙发育破碎后，由于采煤机割煤后支架不能及时支开护帮板，造成在顶板压力影响下的煤壁开始从滑落面出现移动趋势，上方顶板逐渐回转下沉，顶板压力逐渐增加，护帮板的水平力已不足以支撑滑落体稳定，片帮现象开始发生。出现片帮后，若不及时采取控制措施，会进一步造成顶板冒落，甚至是台阶下沉的严重事故[3-5]。

3 3217综放面采场片帮控制方法

3.1 煤壁片帮控制思路

根据采场煤壁片帮力学分析，要保证工作面前方煤壁的稳定性，主要是从控制顶板垂直压力、增加水平支护力和控制煤壁滑落面三个方面入手：

1）煤壁所受的顶板垂直应力主要由顶板断裂块的回转下沉引起，增加工作面支架的支护强度和支护阻力，能够有效减弱断裂块下沉趋势，确保煤壁受力稳定。

2）支架水平支护力的作用效果与支护力大小和支护是否及时有关，及时对煤壁施加较强的水平支护力，阻止已破碎煤体继续发育，能够控制割煤前煤壁的整体稳定。

3）煤壁滑落面的形成主要与煤体自身性质有关，当煤体内聚力较小或内摩擦角较大时，煤体易出现滑落面发育，通过增加煤体整体性可以减缓或消除煤壁滑落面的产生。

3.2 3217综放面技术实践

根据3217工作面煤壁片帮控制思路，在采场推进过程中确定采用以下几方面的控制措施：

1）3217工作面主要采用了 101架ZF2800/16/24型液压支架，确保支架初撑力不低于规定值的80%，即不得小于25.2MPa，安全阀开启压力34.9MPa，工作面推进过程中定时检测支架工作状态，保证支架工作阻力。滞后采煤机组1～2架，马上进行移架工作，此过程带压擦顶前移，移架后迅速伸出前梁，打开护帮板，支柱收缩高度控制在100mm以内，使支架护帮板能及时作用于煤壁，在时间和空间上进行不间断支护，阻止煤壁滑落体的移动。3217工作面正常一个循环进尺为0.6m，日循环数为4次，提高工作面推进速度，可将日循环数增加至6～8次，快速割煤后能够有效减少采场煤壁的裸露时间，降低顶板垂直应力对煤壁的作用时间，减弱煤壁片帮发生程度。

2）3217工作面遇片帮现象较严重区域，补打木锚杆进行煤壁加固，具体施工见图2。钻孔采用手持式煤电钻湿式钻孔，麻花钻杆长为1.2m和1.5m。锚杆为红松原木材质，直径为45mm，三排五花眼布置，眼距0.75m，底排距底部800mm，杆体1500mm，垂直煤壁30°打设；中排水平打设，长度1200mm，距底部1200mm；顶板排距顶200～300mm，与水平方向30°打设，杆长1500mm。锚杆及时打紧，一端100mm范围内削成棱角状，另一端外露长度不大于100mm。

图2 木锚杆布设位置

3）3217工作面遇到断层等构造地段时，可以采用注浆煤壁加固技术，用以粘结补强、转化破坏机制。根据3217工作面实际已发生片帮情况，注浆位置在主要集中在采场中部片帮较严重区域，采用马丽散注浆，钻孔直径42mm，由于煤体裂隙较发育，只在煤体中部布置单排眼，间距4.0m、孔深6.0m，与水平方向成10°打设，封孔长度不小于1.0m，注浆压力不宜过大，确定为3～4MPa。注浆泵选用ZBQ-5/12型气动高压双液化学泵，高压胶管直径19mm，注射花管直径10mm，注浆完毕后及时清洗设备和附件。

图3 注浆加固系统

3.3 工程应用效果分析

晶鑫煤业3217综放面在采用上述方式进行煤壁片帮控制后，需要对煤壁控制效果进行检验对比。在支架上布置5个测站，测站间距为20架，测站编号支架分别为18号、38号、58号、78号、98号，记录实施控制措施前后的煤壁片帮深度，如图3所示。煤壁片帮现象主要在整个采场中部区域煤体发生，控制措施采取前后均是同曲线的最大值。根据对比效果，片帮深度最大值从1.5m降低到0.5m，平均深度从1.0m降低到0.4m，煤壁片帮的范围从90%降到至35%；3217综放工作面月进尺也从60m增加到了90m，月产量达到了6.5万t，生产能力提高了44%。可见，3217工作面煤壁采取控制技术后，大大减少了片帮发生范围和深度，缓解了片帮现象对工作面生产的影响，提高了月进尺和月生产能力，保证了人员与设备的安全，取得了良好的技术经济效益。

图4 3217采场片帮深度对比

4 结论

晶鑫煤业3217综放工作面采场煤壁易出现片帮现象，片帮主要受顶板载荷、水平护帮力和滑落面位置影响，可以采用控制顶板垂直压力、增加水平支护作用力和增大煤体自身稳定性的相关举措进行片帮控制。采取控制措施后的3217工作面片帮范围降低至35%，月生产能力提高了44%，实现了工作面安全高效生产，取得了良好的技术经济效益。