松軟煤層大采高工作面煤壁片幫原因分析及治理

王紅兵

（山西晉煤集團澤州天安靖豐煤業有限公司 山西 晉城 048012）

1 工作面概況

12012工作面位于二采區-680m 水平，工作面標高為-495.5m～-604.2m，西側為已經回采結束的12011工作面，東側為正在掘進的12013工作面，南側為二采區下山，北側為實體煤。工作面屬于軟煤層大采高工作面，所采煤層厚度為4.5～6.1m，平均為5.5m；煤層傾角為1.6°～7.2°，平均為4.8°；煤層以線理狀和層狀為主，塊狀和條帶狀次之；煤層中部含有一層0～0.4m 的矸石，矸石成分為炭質泥巖～泥巖；煤層節理裂隙發育程度較高，煤質整體表現松軟，硬度系數f=0.8～1.2。該工作面可采長度為1750m，采長為220m，開采方式為綜合機械化后退式開采。12012工作面頂底板巖性較復雜，偽頂為均厚0.25m 的破碎泥巖；直接頂為均厚4.8m 的黑灰色粉砂巖，水平層理發育，易冒落；老頂為均厚6.2m 的灰色粉砂巖，呈團塊狀，含植物根部化石；直接底為均厚1.9m 的黑灰色砂質泥巖；老底為均厚3.2m 的黑色粉砂巖，巖性致密性程度較高。在掘進過程中共揭露正斷層4個，逆斷層1個，其中對回采可能造成影響的有F5斷層和D3F25斷層。

2 煤壁片幫機理分析

理論分析認為，工作面煤體在未受到采動時處于應力平衡狀態，當煤體暴露于回采空間時，原平衡應力狀態遭到破壞，水平應力迅速變弱，煤體所受應力重新分布，其中煤體所受上方垂直應力迅速增高〔1〕。隨煤體所受垂直應力的不斷增大，煤體內部裂隙不斷增多，煤體塑性區域范圍不斷變大；當垂直應力超過煤體強度和承載能力時，煤體破碎程度進一步加劇，自穩性和自承能力大幅度降低，不斷促使煤體向無水平約束的回采空間移動，形成所謂的煤壁片幫現象。近年來，相關學者和專家通過理論分析、現場試驗和數值模擬等技術對煤壁片幫機理進行探究，目前較公認的理論有拉裂式破壞、剪切式破壞和重力滑落式破壞〔2-3〕：（1）拉裂式破壞經常發生在脆性較高的煤層中，煤體在礦壓作用下產生橫向拉應力，因脆性煤體無法消除拉應變產生的勢能，只能以煤體破裂的形式釋放，這樣煤體就形成了拉裂式破壞；（2）當煤層煤質較軟弱時，煤體因自身蠕變和橫向變形會釋放一定的橫向拉應力，當煤所受剪切力超過其抗剪強度時便可出現剪切式破壞；（3）當煤體破碎程度較高，失去自穩能力時便會在重力作用下發生滑落，稱之為重力滑落式破壞。

3 工作面片幫情況及片幫因素分析

3.1 片幫情況分析

為了更好地掌握12012松軟煤層大采高工作面煤壁片幫情況，對工作面5個周期來壓范圍內的片幫情況進行統計分析，觀測頻率為每測1刀，統計結果見表1。

表1 12012工作面煤壁片幫情況統計分析

由表1可知，12012工作面煤壁片幫程度較嚴重，其中在非來壓期間工作面上部、中部和下部片幫率分別為17.2%、22.4%和19.6%，平均為19.73%；來壓期間煤壁片幫程度有加劇現象，工作面上部、中部和下部片幫率分別為32.1%、50.3%和35.7%，平均為39.37%；來壓前整個工作面煤壁片幫深度相差不大，分布在1250～1320mm 間，來壓時煤壁片幫深度分布在1380～1465mm 間。現場觀測發現，采煤機過后，總是出現不同程度的片幫情況，且在過頂板破碎帶或者斷層時片幫現象加劇，片幫時偶爾出現輕微“啪啪”劈裂聲響。

3.2 片幫因素分析

根據12012工作面煤壁片幫情況分析，結合煤巖體巖性和開采條件進行綜合分析，認為引起該工作面煤壁片幫的主要因素是：

（1）該工作面煤質松軟，硬度系數f=0.8～1.2，且煤體節理裂隙發育程度較高，其內聚力和粘結性較低，在礦壓壓力作用下和回采擾動作用下極易發生片幫。同時，由于該煤層松軟易碎，其超前支撐壓力分布區域變大，造成煤壁前方塑性區增大，容易導致片幫。

（2）該工作面頂底板巖性復雜，其中偽頂和直接頂較易冒落，基本頂強度較大，冒落困難，基本頂及其上方巖層壓力通過下方巖層傳遞給煤體和支架，當基本頂來壓時，基本頂發生彎曲、破斷和旋轉，造成煤體所承載應力急劇增大，最終導致片幫發生。

（3）開采理論和數值模擬均表明隨著工作面采高的增加，煤壁片幫程度有加劇趨勢〔4〕。12012工作面采高已達5.5m，且煤體強度和自承載能力較弱，容易引起片幫。

（4）采場支護不合理是造成工作面煤壁片幫的主要因素之一。通過現場支架載荷變化觀測，發現整個工作面液壓支架初撐力普遍較低，初撐力合格率不足21%，這樣難以對頂板形成主動支護作用，造成頂板壓力傳遞至煤壁煤體，引起煤壁片幫現象發生。

（5）推進速度較慢也是引起12012工作面煤壁片幫的重要因素。由于該工作面采高較大，煤質松軟，圍巖條件較復雜，造成工作面推進速度較慢，尤其是在處理大面積片幫、冒頂和過地質構造帶時一個生產班只能完成一刀煤。這樣就造成工作面頂板累計下沉量不斷加大，對裸露的煤體持續作用，也容易導致煤壁片幫程度加劇。

4 煤壁片幫控制措施

針對12012工作面片幫具體情況，采取了如下控制措施：

1）在過斷層構造帶和頂板破碎帶時有選擇性地加固煤體，加固煤體的主要方法有化學注漿加固、木錨桿支護加固和工作面聯網等，其中化學注漿加固施工速度快、加固效果好，且不影響正常回采作業。12012工作面在過斷層時采用注射馬麗散對煤體和頂板進行加固，快速、安全通過斷層，較好的減弱了煤壁片幫程度。

2）合理控制采煤高度，嚴禁超高采煤，在過特殊地帶時可以適當降低采高。

3）對松軟煤層注水可以提高煤體粘結性和控制揚塵的生成量，12012工作面在推進至80m 后開始采用煤層注水，相比于注水前，煤壁片幫率減小10.4%。既降低了工作面粉塵量，又有助于實現綜采工作面經濟效益和社會效益的同步提高。

4）加強采場支護，加強乳化泵站壓力和供液管路的管理和維護，適當提高升架時間，確保支架初撐力符合要求。在采煤機過后，及時打開護幫板，對于頂板不穩定地帶可以實行超前移架，可以有效地對煤壁片幫進行控制。

5）適當提高推進速度，當過斷層和頂板破碎帶時，可提前進行煤體和頂板加固，這樣不僅可以有效預防片幫，同時還可以減小對工作面推進的影響程度。

通過這些措施的實施，12012軟煤層大采高工作面片幫現象大幅度降低，有效避免了煤壁片幫、頂板冒漏生產事故的發生；同時也降低了工作面粉塵量，也有效地降低塵肺病的發生率，為提高礦井綜合效益奠定了基礎。

〔1〕華心祝，謝廣祥.大采高綜采工作面煤壁片幫機理及控制技術〔J〕.煤炭科學技術，2008，36（9）：1-3.

〔2〕紀有利，翟英達，韓 豐.軟煤層大采高工作面煤壁片幫機理及預防措施〔J〕.山西煤炭，2011，31（1）：42-44.

〔3〕寧 宇.大采高煤壁片幫冒頂機理與控制技術〔J〕.煤炭學報，2009，34（1）：50-52.

〔4〕宋朝陽.寺河礦大采高工作面煤壁片幫機理及防治措施〔J〕.煤炭技術，2007，26（4）；52-54.