西曲礦大采高工作面片幫機理與防治研究

范雨濤

（西山煤電集團有限責任公司，山西 太原 030053）

1 工程概況

山西西山煤電股份有限公司西曲礦位于太原市古郊區，主要開采煤層包括4、7、8、9號煤層，其中8號煤層屬于厚煤層，平均厚度為4m，其他煤層屬于薄及中厚煤層，本次選擇18501工作面進行研究，開采煤層為8號煤層。

圖1 18501工作面綜合柱狀圖

18501工作面井下位于南五盤區南部，北鄰已回采的18502工作面，南鄰已回采的18307工作面，西鄰南983運輸大巷，東鄰西983運輸大巷。工作面上覆4號煤14501、14504采空區，煤層間距為65m左右。各工作面均留設保護煤柱。工作面周邊無相鄰巷道。工作面開采范圍內，煤層厚度為3.8～4.4m，平均厚度為4.2m，煤層傾角為1～9°，平均為3°，屬于穩定可采煤層。8號煤層結構簡單，中部普遍含有一層泥巖夾矸，夾矸厚度變化不大。8號煤層局部頂板為0.23m的炭質泥巖偽頂，直接頂為2.4m的石灰巖，直接底板為1.54m細砂巖，老底為3.13m的粉砂巖。18501工作面采高為4.2m，為大采高工作面，工作面傾斜長度為145m，走向長度為1550m，18501工作面頂底板綜合柱狀圖如圖1所示。另外，根據礦井地質資料，18501工作面不會受到火成巖侵入、沖刷帶及煤層分叉等對煤層開采產生影響因素。

2 片幫機理分析與防治方案設計

2.1 片幫機理分析

一般情況下，煤層具有一定的承載能力，工作面推進過程中，頂板因煤層的開采形成一定的懸空，對煤層產生壓力，并在煤壁內部形成應力集中，當煤壁承受載荷超過其承載能力后，煤壁內部節理裂隙不斷擴大，發生煤壁片幫的現象。煤壁出現的破壞形式主要有兩種，包括剪切破壞與拉伸破壞，兩種破壞形式的出現主要取決于煤層的物理力學性質。煤層強度較弱時，煤壁常發生剪切破壞，煤層強度較高時，煤壁常發生拉伸破壞。由于西曲礦18501工作面開采煤層為8號煤層，煤層強度普氏系數為1.3，為軟巖巷道，因此頂板對煤層的垂直作用力造成煤壁發生剪切破壞。將其剪切破壞面簡化得到圖2。

圖2 煤壁剪切破壞分析

根據庫侖-摩爾計算準則，當工作面煤壁發生剪切破壞時，在剪切面上會形成抗剪切力和滑動力，剪切力D小于滑動力S時，煤壁即發生破壞，破壞準則為：

式中：

G-安全余量，N；

D-剪切面上的抗剪切力，N；

S-剪切面上的滑動力，N；

C-煤層粘聚力，N；

α-剪切破壞角，（°）；

N-剪切面上的法向應力，N；

φ-煤層內摩擦角，（°）；

h-煤壁片幫高度，m。

在煤壁的上部位置，如圖2（a）所示，N與S主要由頂板壓力P0、護幫板載荷Q及破壞部分煤體自重W共同作用形成，其表達見式（2）、（3）：

式中：

P0-頂板垂直應力，N；

W-破壞部分煤體自重，N；

q-護幫板載荷集度，常數。

將上述公式帶入（1）式中，可得：

在煤壁下部位置，如圖2（b）所示，N與S由底板載荷和破壞部分煤體自重W共同構成。

式中：

P1-底板載荷集度。

兩者表達式如下（5）、（6）所示

將兩式整理并代入（1）式中，可得式（7）：

2.2 防片幫方案設計

由上述對工作面煤壁片幫機理分析可知，工作面煤壁發生片幫的影響因素主要包括工作面采高、煤層物理力學性質、支架的支護強度以及頂板載荷等，但主要取決于工作面采高，采高越大，煤壁發生片幫的可能性越高，因此合理的減小工作面采高能夠有效避免片幫現象發生。

在采用大采高一次采全高工作面，常用的方法主要為臺階式回采方法，這種方法可以直接性減小煤壁的直接高度，但在工作面割底后，會再次面臨大采高的情況，并且在進刀時回采時間過長，煤壁承載時間加長。針對于此，本文提出了優化方法：在采煤機滾筒上增設長軸，采煤機割煤先沿著頂板進行回采，形成臺階開采，之后再采用上下滾筒同時割煤回采，這種優化方法可以有效減小進刀回采時長，并且能確保實現臺階式回采，降低工作面采高，減少煤壁片幫情況。

3 工程實踐

在優化工作面采煤方式后，可實現臺階式割煤作業，現場工作面割煤情況如圖3所示，具體過程如下：

圖3 回采面臺階形煤壁回采示意

（1）在采煤機割煤滾筒上增加長軸，長度為1.2m，進刀前先沿工作面頂板割煤，實現大采高工作面臺階割煤作業。

（2）采煤機上滾筒沿煤層頂板，在全煤壁區域內割出：寬1.4m，臺階上下高度比2:1（2.8m:1.4m）的臺階形煤壁。

（3）煤壁臺階形成后，以每次進刀0.8m的截深進行回采，回采時上下滾筒同時進行，以確保煤壁保持臺階形態。

西曲礦18501工作面優化開采工藝后，通過長期對工作面開采過程中煤壁片幫情況的監測，得出在監測時間為1個月內，工作面煤壁片幫次數共35次，其中a類片幫次數為15次，占總量的42.9%；b類片幫次數為10次，占總量的28.6%；c類片幫次數為6次，占總量的17.1%；d類片幫次數為4次，占總量的11.4%。根據實踐結果，采煤方式優化后工作面片幫次數減少了大約80%，并且片幫煤體的大小也有所減小，因此該采煤方式對煤壁片幫防治起到了較好的效果。

4 結論

本文根據西曲煤礦18501工作面地質條件與現場狀況，對工作面片幫機理進行了研究，主要結論如下：

（1）大采高工作面煤壁片幫嚴重，主要因采高加大后煤壁承受載荷增大，加之煤層強度較低，內部節理裂隙發育，導致片幫現象發生，其破壞形式主要為剪切破壞。

（2）對工作面割煤方式進行優化，采用1.2m長軸，能夠實現臺階開采，臺階面上下煤壁高比為2:1（2.8m:1.4m），通過現場實踐結果得出該方法有效減少了工作面煤壁片幫次數，效果良好。