工作面煤壁片幫原因的分析研究

柯賢棟，姚文華

（霍州煤電集團有限責任公司回坡底礦，山西霍州 041600）

工作面煤壁片幫原因的分析研究

柯賢棟，姚文華

（霍州煤電集團有限責任公司回坡底礦，山西霍州 041600）

結合回坡底煤礦10號煤106工作面煤壁片幫情況，通過對106工作面礦壓觀測數據、煤壁片幫程度及地質資料的分析研究，最終確定10-106工作面一直片幫的主要原因是工作面按仰采方式推進，而工作面頂板來壓、煤層本身存在的一些地質構造及長時間的停采只是片幫現象加劇的原因，對以后回采工作面現場支護及片幫防治技術具有一定的借鑒作用。

煤壁片幫；仰采推進；頂板來壓；地質構造

隨著煤礦機械化程度的不斷提高，工作面煤壁的長度及高度都有了很大的改觀，與此同時，由于煤層及上覆巖層的自重、工作面的布置形式、地質構造方面等因素的影響，工作面煤壁片幫問題也越來越突出[1]。煤壁片幫不僅影響工作面的正常生產，而且片幫時易引起冒頂事故，造成支架被壓死，煤壁上掉落的大塊煤矸也會損壞工作溜子等設備，片幫處飛濺的煤塊還可能造成作業人員的傷亡[2]。本文通過對回坡底礦106工作面礦壓觀測數據、煤壁片幫程度及地質資料的研究分析，得出了106工作面片幫的主要原因，對以后回采工作面現場支護及片幫治理技術都具有指導意義。

1 工作面概況

回坡底礦10-106工作面煤層屬于10號煤，普氏系數f=0.9～1.1，屬松軟煤層，該面位于東一采區軌道巷前進方向右翼，正、副巷長度均為1 436 m，切巷長度為251 m，工作面底板標高為+485～+510 m，低于K2靜水位（約+560 m），工作面大部分處于帶壓（O2靜水位+520 m）區域，回采期間工作面直接充水水源為上覆K2灰巖水，工作面共安裝167架ZY7200-16.5/32型液壓支架，每一架上均安裝有礦壓在線監測儀表，2013年7月23日開始初采，8月9日老頂全部垮落，截止2014年4月20日0點班工作面正巷推進750.5 m、副巷推進750 m。根據工作面回采情況，該面自開采以來煤壁一直伴隨有不同程度的片幫現象。

2 煤壁片幫原因分析

通常影響工作面煤壁片幫的因素包括礦壓因素、工作面的布置、地質構造因素（煤層埋深、采高、節理裂隙、斷層等）、支架的工作狀態等[3]。通過對各因素進行分析，從而最終確定106工作面片幫的主要原因。

2.1 礦壓因素

通常遇到工作面片幫的問題時，首先想到的就是周期來壓。來壓期間，工作面在線監測數據會明顯變大，即頂板壓力突然增大，如此就會引起工作面前方煤壁支承壓力的突然增加，從而會引起煤壁上大塊煤體滑落及小塊煤飛濺出來的片幫現象，同時會在煤壁前方沒脫落的煤體內形成大量的節理或裂隙，當割煤機一旦開機，就會引起機組周圍及前方范圍內煤體的二次片幫。這就是礦壓因素的影響。106工作面四月份礦壓統計數據，如表1所示。

從圖1中可以看出4月5日-4月10日工作面的支架全部在30 MPa以上，而這段時間的片幫區域據現場觀測也比平時的片幫區域大的多；圖2中反映出4月6日-4月12日支架壓力出現40 MPa以上的每天都有，從現場的情況來看，片幫的嚴重程度（不論深度還是煤塊體積的大小）明顯大于平時。

表1 礦壓觀測數據

圖1 礦壓為35 MPa以下支架數目曲線圖

圖2 礦壓為35 MPa以上支架數目曲線圖

從上面圖表的分析可以看出，工作面來壓期間，片幫區域、深度及煤塊大小的確比平時嚴重很多，但是據我們觀測，106工作面開采以來一直伴有或輕或重的片幫，只是在來壓期間程度上更加劇烈，也就是說工作面來壓是片幫加重的一個重要因素，但不是106工作面一直伴有片幫的主因。

2.2 工作面布置

106工作面的推進方式為仰采，從1062巷往里走一直到工作面，整個路程都是下山，查閱1061巷和1062巷的地質剖面圖，從兩巷導線點標注的標高上來看，兩巷從外往里標高越來越小，同時可以計算出兩巷的坡度在0°～14°之間。

1）從力學角度去分析仰采導致片幫的機理。根據106工作面兩巷地質剖面圖可知，106工作面推進方式為仰斜開采，圖3為106工作面煤層及頂板結構的受力分析圖。

圖3 106工作面煤層及頂板結構受力分析圖

上圖中，煤層及頂板的自重G沿斜面的分力F1=Gsinθ直接指向工作面煤壁，也就是說沿斜面方向的所有壓力全部集中在了工作面的煤壁上，其主要著力點主要位于煤壁的中間區域，這樣煤壁內會產生橫向的拉應力，由于煤層本身屬于松軟煤層，松軟煤層就會產生一定的變形來對這種應力進行緩沖儲存，但由于這種應力往往來的太快，且伴隨的能量是非常巨大的，一旦這種應力超過煤體本身變形儲存的能力時，其中的能量就會沖破煤體釋放出來，從而造成部分煤體沿煤壁滑落或飛濺，引起片幫，尤其是來壓期間或停采過一段時間后再開機顯現的更為明顯。據106臺賬記錄，在4月份開采前，停采過10 d左右的時間，這種長時間的停采，會使頂板的下沉位移量增大，而頂板的下沉會進一步加大對工作面煤壁的壓力，這就是停采后再開機片幫現象明顯的原因。

2）從片幫程度去分析仰采導致片幫的機理。現場觀測記錄的煤壁片幫情況，如表2所示。

表2 煤壁片幫記錄表

從表2中可以看出片幫區間長度最長的在81號-125號之間，片幫深度最深的也在81號-125號之間，即工作面片幫程度最嚴重的在工作面煤壁的中部及偏機尾方向，而這個范圍是煤壁上壓力承受的集中區域，與前面力學角度分析的也相吻合。

通常，我們計算片幫深度[4]所用公式如下：

仰斜開采D=Mtan（c+θ-φ/2）.

俯斜開采D=Mtan（c-θ-φ/2）.

水平開采D=Mtan（c-φ/2）.

式中：D為片幫深度，cm；M為采高，cm；c為常用系數,30°～45°，θ為仰采角度，0°～14°；φ為煤體內摩擦角16°～40°的坡度之間。當兩巷坡度θ取0°～14°范圍時，代入仰斜開采公式中，算得片幫深度D在45～116 cm之間，與表2中來壓期間工作面中部81號-125號之間的片幫深度50～120 cm基本相符。

比較上述公式，可以得出，工作面仰采推進的煤壁片幫深度，相比同一條件下的俯采推進或水平推進來說要深得多，也就是片幫程度嚴重得多，且仰采角度越大，片幫越明顯。

綜上兩方面可看出，工作面按仰采推進是煤壁一直片幫的主要原因，而工作面來壓或長時間的停采只讓是片幫現象更加嚴重、突出。

2.3 地質構造方面因素

1）斷層。經過到106工作面現場的觀察了解，在43號支架、123號支架前后一定范圍內出現了落差在30 cm左右的小斷層，使頂底板發生變化，斷層面兩側的煤體發生錯移，這就導致了整個工作面兩邊高中間低的現象，從而造成了煤壁支承壓力分布不均，局部壓力過大。當割煤機割到斷層附近時必須把割煤機的速度降下來，否則割煤機就會割到斷層另一面的頂板或底板。割煤機一慢下來，其前后方支架與煤壁間的空頂時間就會增加，煤壁得不到及時支護，加上斷層附近煤體及頂板巖層比較破碎、煤體本身比較松軟，就容易引起煤壁的片幫。

2）節理裂隙。根據現場觀察，煤壁上的節理裂隙是非常少的，片幫區域看到的煤壁上的些許節理和裂隙多數是礦山壓力造成的次生節理、次生裂隙，這些節理裂隙會使煤體本身更加相對松散，從而對煤壁的片幫產生一定的影響，但這不是主要原因。

3）煤層的層理。根據現場的觀察，煤層的層理基本上都是水平的，煤壁前的支撐壓力及割煤機開機引起前后范圍的震蕩對于這樣的層理都不會造成明顯片幫，如果煤體內豎直層理或斜層理比較多，就容易引起片幫。

4）煤的硬度。10-106屬10號煤，其普氏系數f=0.9～1.1，也就是說10號煤屬于松軟煤層，它是既松又軟，松就反映了煤本身較脆、結構較松散，這樣只要施加一定的壓力它就會破碎或滑落，從而引起片幫，這是片幫的微觀因素，不是主要因素。

5）采高與埋深。隨著采高的增加工作面頂板壓力就會增大，煤壁前方的支承壓力也隨之增加，從而加劇了煤壁的片幫；而隨著埋深的加大，煤壁塑性區的寬度和深度都會增加，這也會加劇片幫的發生。但是這兩個因素都是在一定條件下才會成為主要影響因素，如進行綜采放頂煤的工作面。而一般對于3.5 m以下的煤層及埋深在300 m左右的淺埋煤層，這兩因素影響基本不大。所以說這兩個因素不會成為10-106工作面煤壁片幫的主要因素。綜上可以看出，10-106面地質方面主要影響因素是煤體本身硬度、少許的斷層、次生的節理裂隙，剩下的其他地質因素對106工作面基本沒影響。

2.4 支架的支設形式

由于106工作面是仰采，支架的支設自然為頭朝上、后仰式，這種支設狀態會使支架的支撐力得不到充分發揮[5]，從而工作面煤壁就會分擔承受更多的來自頂板方面的壓力，當煤壁承受的壓力超過煤體的強度極限，就會導致煤體發生變形破碎，從而發生片幫。

3 結論

1）106工作面一直片幫的主要原因是工作面按仰采方式推進，而工作面來壓或長時間的停采只是讓片幫現象更加嚴重、突出。

2）106工作面地質方面主要影響因素是煤體本身硬度、少許的斷層、次生的節理裂隙，這些因素會對片幫會造成一定的影響，但只是局部的微觀的，真正起作用的還是仰采、工作面來壓等宏觀因素。

3）支架后仰式的支設狀態會使支架的支撐力得不到充分發揮，來自頂板的壓力就會將部分壓力傳到煤壁上，最終引起片幫。不過支架的這種后仰式的支設狀態還是因為工作面按仰采方式推進造成的。

4）106工作面支架的安全閥開啟壓力為42MPa，從表1統計的礦壓數據來看，一旦工作面來壓，壓力極有可能超過42 MPa，從而可能導致片幫的大塊煤壓垮溜子、壓死支架及傷人事故，所以，來壓期間一定要加強工作面的支護及加固煤壁，尤其到工作面的末采和回撤階段，必須得提前采取支護加強措施。

[1]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[2]董事舉.趙固二礦大采高工作面煤壁片幫機理及注水防治技術研究[D].焦作：河南理工大學，2012.

[3]李建國，田取珍，楊雙鎖.綜采放頂煤工作面俯、仰斜開采對煤壁片幫的影響機理研究[J].太原理工大學學報，2004，35（4）：407-409.

[4]孟杏莽，賈凱軍.大采高仰采充填工作面煤壁片幫治理研究[J].煤炭工程，2011（8）：58-63.

[5]王軍.工作面煤壁片幫的原因與預防方法[J].煤炭技術，2009，28（3）：89-90.

Cause Analysis of Rib Spalling of Coal Wall on Mining Face

KE Xiandong，YAO Wenhua
（Huipodi Mine，Huozhou Coal Electricity Group Co.，Ltd.，Huozhou 031400，China）

On the condition of rib spalling on No.106 working face of No.10 coal seam in Huipodi mine，the mine pressure observation，rib spalling degree，and geological data are studied to determine that the main cause of the rib spalling is upward mining of the working face.The roof weighting，geological structure，and long-time stopping mining only aggravate the phenomenon.The study is useful for future support design and rib spalling prevention.

rib spalling of coal wall;upward mining;roof weighting;geological structure

TD323

A

1672-5050（2015）03-0044-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.016

（編輯：武曉平）

2015-02-07

柯賢棟（1971-），男，山西襄汾人，大學本科，工程師，從事煤礦井下生產技術研究及安全管理工作。