楊文忠

（汾西礦業(yè)集團(tuán)柳灣煤礦， 山西 孝義 032300）

煤壁片幫是由于煤體開(kāi)挖后，工作面前方煤體卸壓、應(yīng)力狀態(tài)改變，在支承壓力的作用下，內(nèi)部節(jié)理、層理等裂隙相互貫通，煤體整體結(jié)構(gòu)改變，并不斷向回采空間位移而形成的一種礦山壓力現(xiàn)象。由于煤體強(qiáng)度、裂隙分布及人為工程擾動(dòng)的不同，煤壁片幫在各礦區(qū)工作面呈現(xiàn)出多種不同的形式，如煤壁拉破壞或剪破壞等，而對(duì)于大采高工作面，由于機(jī)采高度增大必然造成工作面煤壁臨空面積增大，在礦山壓力作用下煤壁片幫幾率加大，進(jìn)而可能引發(fā)采場(chǎng)端面大面積冒頂，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)，故大采高綜放工作面煤壁片幫控制是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題之一[1-3]。本文針對(duì)8105大采高綜放工作面的具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，運(yùn)用力學(xué)計(jì)算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等研究手段，對(duì)煤壁片幫機(jī)理及控制對(duì)策展開(kāi)研究，從而提高工作面的支護(hù)可靠性。

1 煤壁片幫機(jī)理分析

研究過(guò)程中調(diào)研了礦井8105工作面地質(zhì)生產(chǎn)條件，并進(jìn)行了煤巖樣的采集測(cè)試及巖性評(píng)價(jià)，得出該工作面砂巖頂板強(qiáng)度較高，完整性較好，工作面來(lái)壓顯現(xiàn)較強(qiáng)烈，對(duì)綜放支架沖擊作用較明顯，不利于端面煤巖體的控制。針對(duì)該工作面調(diào)研過(guò)程中較為常見(jiàn)的頂部三角剪切片幫，在整個(gè)工作面回采期間均極為常見(jiàn)，尤其是在工作面來(lái)壓期間，一方面其可引發(fā)煤體整體片幫，另一方面可誘發(fā)端面冒頂，對(duì)采場(chǎng)圍巖控制影響較大，其片幫機(jī)理研究具有重要意義[4，5]。

對(duì)于工作面煤壁，原始狀態(tài)下煤體內(nèi)部存在未貫通的原生裂隙（圖1-1），回采卸壓后，裂隙增多并繼續(xù)發(fā)育，受頂?shù)装宓膲杭糇饔?，在煤壁頂部產(chǎn)生一組與最小主應(yīng)力（水平方向）成45°+1/2夾角的傾斜剪切裂隙（圖1-2），當(dāng)煤壁自由面暴露一定長(zhǎng)的時(shí)間，隨著其受力環(huán)境的惡化，煤壁頂部三角煤將沿著最弱的一條傾斜裂隙滑落，形成煤壁頂部片幫（圖1-3）。

圖1 煤壁剪切破壞過(guò)程

對(duì)片落的三角煤塊進(jìn)行受力分析可知，剪切破壞受采高h(yuǎn)的影響較大，隨h增大，煤壁頂部剪切破壞的風(fēng)險(xiǎn)增大；煤體內(nèi)聚力C是保持自身穩(wěn)定性的最可靠的參數(shù)，在構(gòu)造區(qū)等煤巖破碎帶，對(duì)煤體注漿提高其內(nèi)聚力可有效提高其抗剪切破壞的能力；護(hù)幫板的支護(hù)力T是人為控制煤壁頂部片幫最直接和有效的措施，其沿剪切面的分力是抗剪力的一部分，沿垂直剪切面方向的分力又是提高摩擦力f的壓力，可有效提高安全余量，必須充分發(fā)揮其支護(hù)效能；支架支撐力沿豎直方向的分力首先能提高對(duì)頂板的支護(hù)強(qiáng)度，分擔(dān)老頂載荷對(duì)煤壁的壓力，有利于端面破碎煤體的控制，因此必須保證支架立柱傾角和初撐力達(dá)標(biāo)。

2 機(jī)采高度對(duì)片幫影響模擬分析

本次數(shù)值模擬根據(jù)8105大采高綜放工作面的具體地質(zhì)參數(shù)及圍巖條件參數(shù)建立UDEC數(shù)值模型，本礦井煤層為近水平煤層，采用單一走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤開(kāi)采，在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)生產(chǎn)狀況進(jìn)行簡(jiǎn)化和抽象的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)數(shù)值模擬模型為水平模型，盡量規(guī)避無(wú)關(guān)因素的影響，模擬計(jì)算中，煤巖體和節(jié)理的物理、幾何參數(shù)是在現(xiàn)場(chǎng)的原巖參數(shù)的基礎(chǔ)上確定的。共設(shè)計(jì)機(jī)采高度分別為3.0～5.5 m的6個(gè)數(shù)值模擬方案。

在模擬過(guò)程中在煤壁中布置測(cè)線對(duì)其水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)，分別統(tǒng)計(jì)其最大位移值和平均位移值，作圖如圖2所示。分析數(shù)據(jù)及曲線可知:隨著機(jī)采高度增加，煤壁的水平位移值均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且增長(zhǎng)速率在3.5 m以內(nèi)時(shí)較慢，在4.0～4.5 m范圍內(nèi)增長(zhǎng)較快，而超過(guò)4.5 m以后，增長(zhǎng)速度又逐漸放緩。說(shuō)明機(jī)采高度4.0 m為一個(gè)分水嶺，超過(guò)此值后煤壁水平位移發(fā)展較快，更容易發(fā)生煤壁片幫。

圖2 煤壁水平位移發(fā)展變化曲線

3 煤壁片幫控制對(duì)策及結(jié)論

1）確保液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度。對(duì)于普通工作面來(lái)說(shuō)支架的支護(hù)強(qiáng)度非常關(guān)鍵，而對(duì)于大采高工作面，其重要性更是不言而喻。必須保證支架初撐力不低于標(biāo)準(zhǔn)值，同時(shí)加強(qiáng)支架接頂管理，防止支架接頂不實(shí)，現(xiàn)場(chǎng)避免頻繁操作支架，同時(shí)使用帶壓擦頂移架，防止支架操作對(duì)頂板的頻繁擾動(dòng)，惡化支架支護(hù)效果。

2）確保液壓支架的支護(hù)狀態(tài)。保障支架的合理端面距至關(guān)重要，一般不得超過(guò)0.3 m，使用好前探梁及護(hù)幫板，對(duì)割煤后暴露的頂板及煤幫及時(shí)支護(hù)，同時(shí)對(duì)于頂梁臺(tái)階、支架錯(cuò)距、擠架咬架、頂梁俯仰角等參數(shù)進(jìn)行合理控制，確保合理的支護(hù)狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)端面冒頂片幫時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行接頂、護(hù)幫處理，防止因處理不及時(shí)導(dǎo)致事故惡化。

3）高度重視護(hù)幫板的支護(hù)力T及其護(hù)幫范圍lT是人為控制煤壁頂部片幫最直接和有效的措施，其沿剪切面的分力是抗剪力的一部分，沿垂直剪切面方向的分力又是提高摩擦力f的壓力，必須充分發(fā)揮其支護(hù)效能；支架支撐力沿水平方向的分力能對(duì)支架頂梁上方煤體及端面煤體施加一個(gè)水平向前的擠壓力，有利于端面破碎煤體的控制，如果水平分力作用方向反向采空區(qū)方向，就會(huì)對(duì)煤壁頂部片幫起反作用，因此必須保證支架立柱傾角和初撐力達(dá)標(biāo)。

4）確保支架故障的及時(shí)排除。液壓支架故障不可避免，尤其是對(duì)于服務(wù)年限較久的老舊支架，更應(yīng)該加強(qiáng)日常的故障排查及檢修，若支架出現(xiàn)千斤頂漏液、密封件失效、液壓元件內(nèi)外泄露以及出現(xiàn)其他構(gòu)件損壞，將對(duì)支架的工作狀態(tài)造成不利影響，應(yīng)及時(shí)加以排除。