試談綜采工作面煤壁片幫機理及防治技術

雷振華

摘要：本文主要分析了礦壓是如何造成煤壁片幫的，以及采用仰偽斜走向長壁式開采時，煤體自重是怎樣加速片幫的原因做出了力學分析。并對于片幫的防治提出了一些針對性措施。

關鍵詞：煤壁片幫；礦壓；煤體自重；仰偽斜；擋矸網

1、前言

煤體在未開采前，在自重應力場和構造應力場構成的原巖應力場作用下，煤體保持一個三向應力相對平衡狀態。由于采動的影響破壞了原巖應力的平衡狀態，巖層形成了一個由“煤壁—工作面支架—采空區冒落矸石”的新的平衡體系。根據壓力拱假說可知，拱的一個支撐點在工作面前方煤壁。因此，煤體的支承壓力增大，而煤壁法向方向的應力卻幾乎減小為零。平衡破壞后，煤體處于二向應力狀態，其抗壓強度大大降低，煤體就會產生裂隙、離層逐漸破碎，從而造成了煤壁片幫。三匯一礦21203南工作面煤質松軟、構造頻繁且采用仰偽斜走向長壁式采煤法，這些因素都容易誘發煤壁片幫，而且因片幫還常常造成工作面端面處的頂板冒空。不僅給安全帶來了隱患而且影響了工作面的推進速度。因此，研究煤壁片幫的原因，對于安全和生產都具有極其重大的意義。

2、概況

三匯一礦21203南工作面位于+590m水平N2采區，介于10勘探線以北70m處，11勘探線以南286m處。該面傾斜長度為123m，走向長度為399m。該面上部為已回采的2112、2113工作面，下部為未開采區域；北部為正在準備的21203北綜采工作面，南部為已回采的N21201工作面。該采區內的煤層厚度為0.9～3.0m，平均厚度1.93m，采用綜合機械化開采。由于工作面平均傾角達到33°，所以工作面采用仰偽斜走向長壁式采煤法，工作面長度為142.5m，機巷始終超前風巷在20m～25m之間。

3、引發煤壁片幫主要原因分析

21203南工作面構造頻繁，加之煤層自身產狀不穩定、節理裂隙發育、煤質比較松軟，經常發生煤壁片幫，嚴重制約了安全生產。煤體發生片幫的原因是各種因素綜合作用的結果。煤體在礦壓和自重作用下就可能造成煤體內部破壞從而形成了節理和裂隙，最終造成煤壁的片幫。可以說，煤體礦壓和自重是造成煤壁片幫的主要兩個因素。當然，它們對片幫的影響并不是獨立存在的，這里只是為了分析方便才將其單獨列出分析。

3.1 煤體在礦壓下的的受壓破壞

在“煤壁—工作面支架—采空區冒落矸石”的支撐體系中，煤體承載著上方懸落巖層的大部分重量。如圖（1）所示，煤壁附近的壓力相對較小，應力的大小也隨著前方煤體與煤壁的距離增加而近似呈線性增長，直到達到應力峰值。由于應力峰值前方的煤體區域距離煤壁距離過遠，對煤壁片幫的影響相當有限。所以，對于峰值前方的煤體對煤壁片幫的作用暫不作分析。煤體自重相對于礦壓在垂直于煤層方向的作用力甚乎其微，因此也可以排除其影響。

煤體在上覆離層巖層的重力作用下，煤體內部會發生彈性形變和塑性形變，而彈性變形的表現形式就是煤壁片幫。由圖（1）知，煤壁相對于前方煤體所承受的應力要低很多，所以，就會造成煤壁附近的變形量遠小于煤壁前方煤體的變形量。由于煤壁和前方煤體的向工作面的彎曲程度不同，從而造成了煤壁附近煤體與前方煤體產生新的節理、裂隙、離層，最終導致煤壁發生片幫。如圖（2）所示。

3.2 仰斜開采煤壁片幫的重力影向

21203南工作面由于傾角過大，出于對綜采設備的防滑、防倒的考慮，將工作面布置為仰偽斜走向長壁式開采。但是這種布置方式卻使煤壁更容易片幫。

根據圖（1）知，煤壁附近所受的應力相對較底，因此，可暫不考慮礦壓在煤層傾斜方向對煤壁片幫的影響。

煤體自重在煤層傾斜方向的作用力，是誘發煤壁片幫的一個重要因素。如圖（3）所示，煤層因重力作用，在煤層真傾斜方向有一分力Gsinα。又如圖（4）所示，重力分力Gsinα對于機巷A點形成一個力矩M。當煤體松軟或者出現裂隙、節理等造成內聚力不足以與力矩M相平衡時，就會造成煤壁的煤體旋轉失穩脫落，也就是煤壁發生片幫。

4、煤壁片幫的預防措施

4.1 工作面的推進速度

加快工作面的推進速度，可以減少支承壓力對煤體的作用時間從而可以緩解煤壁的片幫程度。21203南工作面屬于瓦斯突出危險性煤層。因此，必須對其先抽后采，這就嚴重制約了工作面的推進速度。但是，這是防治瓦斯突出的必要措施；所以，就只能從提高綜采設備的可靠性、開機率方面著手預防。因此，必須加強對綜采設備的管理，及時排查消除機電設備隱患，所有設備必須達到機電完好標準，否則不得使用。所有電器設備，綜機設備實行包機維護、檢修管理，保證設備正常運轉。從而減少因機電設備事故導致工作面停止推進，引起片幫掉頂事故的發生。

4.2 支架的支護管理

液壓支架合理的工作阻力可以減小頂板對煤體的壓力，從而減輕煤壁的片幫。因此，必須確保工作面的所有支架都達到初撐力，并保證其正常接頂。生產過程中必須重視對液壓系統的管理維護，保證泵壓達到30MPa，否則嚴禁升降支架。

液壓支架對頂板和煤壁的及時支護也能很大程度的減少煤壁片幫。當割煤機通過后，支架必須及時伸出前探梁對新暴露出來的頂板進行支護，并打開護煤板撐住煤壁。護煤板對煤壁施加一個側向力，不僅可以防治一些已經松動的煤塊受重力影響而脫落，而且使煤體重新回到三向應力狀態，從而提高了煤體的抗壓強度，也就從源頭上減少了煤壁片幫的可能性。

4.3 高分子檔矸網的使用

21203南工作面在走向和傾向上都使用了一種高分子擋矸網。這種網不僅柔性好而且韌性高，所以運輸、儲存、使用都很方便，而且對動能較大的煤矸具有很好的緩沖效果。擋矸網的使用對因煤壁片幫、割煤機甩煤、工作面冒頂等煤矸滾落傷人事故起到了一定的防治作用。但是，當工作面打排放、效檢或是設備檢修、清理浮煤時，都要將擋矸網卸下進行作業；然而，當工人作業完畢后由于種種原因，經常沒能將擋矸網恢復掛好，這無疑給安全生產帶來了隱患。所以，必須加強對員工的管理和教育，必要時可以采取一些經濟上的處罰。

5、結語

導致煤壁片幫的因素多種多樣，但是不外乎兩種主要因素：內因和外因。內因包括煤體所受到的原巖應力情況、煤層的賦存條件和煤體本身的力學性質等特征。這些因素導致的煤壁片幫，都是我們人為無法改變或者很難作出改變的事實。所謂的外因就是因人工開采方式、人為失誤等人為因素造成的煤壁片幫，我們完全可以通過調整或者優化開采方式和工作面的管理來防治煤壁片幫。

參考文獻

[1] 《巖石力學與工程》 蔡美峰 主編 北京：科學出版社 2002

[2] 《礦山壓力與巖層控制》 錢鳴高 石平五 主編 中國礦業大學出版社 2003endprint