保利平山煤業大采高大傾角工作面片幫機理分析及應對措施

楊 晨

（山西保利平山煤業股份有限公司）

保利平山煤業31016工作面設計面長為180 m，推進長度為652 m，平均煤層厚度為4.2 m，可采儲量為66萬t，工作面煤層整體呈西底東高產狀，最大落差90 m；自切眼至停采線段仰采角度：0～310 m段平均角度為0～5°，310～540 m段平均角度為12°（其中回風順槽為420～530 m段平均角度為16°，420～450 m達17°），540～652 m段平均角度為9°。因31016工作面回采至310～540 m時，仰采角度大于12°，在回采過程中，煤壁容易發生片幫。為避免煤壁片幫事故發生，對其進行研究和治理。

1 片幫機理分析

1.1 煤的自身強度和支承壓力的影響

31016工作面煤層普氏系數1.0～1.5，根據巖石軟硬分類可知其強度不高，承受應力能力較差。在煤層被不斷開挖的過程中，煤體的完整性遭到了破壞，內部會產生裂隙和變形［1］，原有的強度會進一步減弱。而且工作面受到的垂直應力隨深度的加深而增大，31016工作面埋深將近650 m，離地面較遠，則煤壁前方會產生非常大的支承壓力，其壓力分布情況見圖1。而工作面周期來壓更加會加劇應力的集中［2］。

當煤的自身強度減弱且遭受支承壓力過大時，煤壁的片幫幾率大大增加。如果煤體長時間處于這種狀態，不加以干涉，終會無法抵御所承受的壓力，發生破碎，造成片幫事故。因此，煤的自身強度和支承壓力是影響煤壁片幫一個不可忽視的因素。

1.2 仰采角度和采高的影響

煤壁片幫的形式大致可以分為2類，第1類是拉裂破壞，第2類是剪切破壞。其具體破壞情況見圖2。

第1類片幫的主要原因是頂板的力施加在煤壁時會出現橫向拉應力，當該應力無法轉移或消失，并且超出煤的抗拉強度時，煤體發生破碎；第2類片幫的主要原因是煤壁出現的橫向應力由于煤的變形而轉移或消失，破壞形式發生了改變，在自身重力和頂板的壓力下發生了滑移。

分別對2種片幫情形進行受力分析，并建立力學模型，通過推導化解得到以下計算片幫深度的公式［3-5］。以深度的大小來判斷片幫的嚴重程度。

（1）第1類情形最大破壞深度約為

式中，h為煤壁片幫深度，m；M為煤層厚度，m；α為煤層仰角，（°）；φ為煤層內摩擦角，（°）。

（2）第2類情形最大破壞深度約為

由上面2個式子可以清楚的看到煤層仰采角度與煤壁破壞深度的定量關系。當研究31016工作面煤壁片幫時，在不考慮煤的自身強度和支承壓力影響的情況下，保持煤層的厚度和內摩擦角不變，自變量就只是煤層的仰角，則它們兩者存在正相關的關系，也就是說片幫深度隨仰角的增大而加深，即仰角越大片幫的程度越劇烈。31016工作面310～540 m段平均仰角為12°（其中回風順槽420～530 m段平均仰角為16°，420～450 m達17°）。這個角度非常危險，極易造成煤壁片幫事故，帶來極大的安全隱患，必須加以重視。

由上面2個式子還可以看出，煤層厚度與煤壁破壞深度的定量關系。當研究31016工作面煤壁片幫時，在不考慮煤的自身強度和支承壓力影響的情況下，保持煤層的仰角和內摩擦角不變，自變量就只是煤層的厚度，則它們兩者存在正比例的關系，也就是說片幫深度隨煤厚的增大而加深，即煤層厚度越厚片幫的程度越劇烈。31016工作面工作面采高4.95 m，煤壁承受頂板載荷很大，極易發生破碎，造成事故。

1.3 液壓支架的影響

液壓支架在開采過程中非常重要，它會和頂板、煤壁組合構成力學整體，承擔起支護的作用，工作面示意圖見圖3。

其對片幫的影響可以概括為以下2點。

（1）31016工作面采高4.95 m，在開采過后會留下較大區域的采空區，而大面積頂板的下沉和回轉會改變受力狀態，造成應力集中。而破壞往往發生在薄弱的環節，當煤壁強度無法抵御所承受的壓力，煤壁發生破碎，造成片幫事故。

（2）如果液壓支架的初撐力不夠，支架對頂板的支護效果就變差，此時煤壁就要承擔多出來的這部分壓力，當應力超出煤壁的承受范圍時，將造成片幫事故。

2 片幫應對措施

2.1 回采頂板管理

割煤時采取放緩割煤速度，追機拉架，少降快拉，帶壓擦頂移架，拉超前架的方式控制頂板，移架后及時打開護幫板；片幫后，及時拉超前架，端面距離大仍無法護頂時，及時將一級及二級護幫板打出，貼幫支護（根據頂板情況合理利用護幫板）。加強工作面支架檢修工作，支架要保證有足夠初撐力，保證初撐力不低于24 MPa，支架不漏液，不竄液、不自動卸載，支架升起后頂梁要升平、升緊。

2.2 注水泥漿

正常情況下，提前在巷道對工作面煤壁前方10～15 m范圍，進行打孔注漿加固，采取深淺孔交替注漿工藝，深孔不小于10 m，淺孔不小于5 m、間距3 m，嚴重段注漿時需配合打設玻璃鋼錨桿進行加固支護；對工作面三角區及煤壁片幫嚴重段加注高分子化學材料進行加固，鉆孔沿煤壁側傾斜前上方頂板施工，一般鉆進8～10 m（以鉆桿鉆進頂板巖石以里0.5～1 m為宜），孔間距4 m，一般單孔注漿量40桶（1 t）。

2.3 防護網及煤機擋煤板

（1）當仰角大于12°時，采用角鋼配合平焊鋼筋網焊成900 mm×1 200 mm防護網，固定在兩立柱中間，避免回采過程中可能發生的片幫煤滾落傷人事故。

（2）在采煤機機身上加裝擋煤板（自主加工），避免片幫煤從采煤機機身上方掉入支架內傷人。

2.4 空頂段超前錨網支護

施工至仰角12°以上時，工作面煤壁與支架頂梁端面距大于0.6 m時，局部段因片幫導致頂梁伸縮梁伸出后不能有效接頂，需進行有效支護，具體要求如下。

（1）當超過規定500～1 000 mm范圍內空頂時，采取支架頂部搭工字鋼梁超前支護措施。

（2）超過規定1 m范圍空頂時，必須采取單體柱臨時支護后，使用1 m工字鋼梁配合4 m長錨索聯合支護。

（3）頂板破碎時，需使用全螺紋鋼錨桿配合雙層菱形網貼頂進行錨網索支護，隨后搭設工字鋼梁造設假頂，于頂板孔隙處搭設木垛。

3 結 論

這些措施經濟有效，切實對片幫進行了控制。注水泥漿和空頂段超前錨網支護對改善煤壁和頂板強度有顯著效果，使其可以承受更大的應力，提高圍巖的整體穩定性，降低了片幫的幾率。加強支架檢修工作，保證支架有了足夠初撐力，使其對頂板的支護效果能夠充分發揮出來，減少了煤壁的受力，有效降低了片幫的隱患。而防護網及煤機擋煤板大大避免了回采過程中的片幫煤滾落傷人的事故，增加了安全性，保障了人員安全。