大倾角大采高工作面煤壁片帮机理及控制技术探索

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摘要：大倾角大采高综采工作面煤壁片帮带来的冒顶、瓦斯超限事故一直未得到有效解决，本文针对2130煤矿大倾角大采高综采工作面煤壁片帮机理进行了分析及控制技术探索与实践，有效的控制了煤壁片帮，实现了高产高效。

关键词：大倾角；煤壁片帮；控制技术

【分类号】：TF7

研究多因素条件下大倾角煤层大采高工作面煤壁片帮机理，优化开采技术参数，可为防止工作面煤壁片帮防治提供理论与技术支持，进而实现大倾角大采高工作面安全生产具有重大意义。

1工程概况

新疆焦煤集团下属2130煤矿赋存煤层全部为大倾角煤层，自建矿以来，一直从事大倾角煤层机械化开采实践与攻关，现2130矿井25221工作面5#煤层为主焦煤，是我国稀缺煤种，采用采用综合机械化大采高开采工艺，煤层厚3.58-9.77m，平均厚度5.77m，属特厚煤层，工作面直接顶板为灰白色含砾粗砂岩，泥质胶结、风化易碎的灰白色中砂岩，厚度2.32m，其上为以石英为主、抗风化能力强但层面发育的灰白色中砂岩，厚度16.59m，岩石单向抗压强79.9-100.2MPa。

1大倾角大采高综采工作面煤壁片帮特点

（1）25221工作面片帮现象频繁，几乎每班开采均有不同程度的片帮。（2）片帮范围大，一般可影响到工作面长度的1/3；片帮主要发生在工作面长度方向的中部区域，上部次之，最后为下部区域；一般煤壁上部煤体首先发生片帮，易形成台阶状煤壁。（3）片帮具有从工作面下方向工作面上方扩展的特征，即小范围发生片帮后，会继续向倾斜上方煤体扩散。（4）一般情况下，片帮伴有瓦斯释放现象，并易发生瓦斯超限。

2大倾角大采高综采工作面煤壁片帮影响因素分析

2.1煤壁片帮机理分析

在煤壁前方，存在应力降低区、应力增高区和原岩应力区。根据相关资料显示，在应力增高区，随着采高的增大，应力集中系数越大。根据莫尔―库仑强度理论，岩石剪切破坏准则可表示为t=C+σtanΦ，式中C：煤体粘聚力；σ：剪切面上的法向应力；Φ：内摩擦角。当最大应力tmax≥[t]时，煤体将会发生破坏，应力随之降低。应力降低区的范围一般为1―1.5m（范围大小与采高成正比），此时，破碎煤体沿与最大主应力夹角成450+Φ/2的方向滑动或片帮[1]。

2.2影响煤壁片帮的因素

2.2.1支架工作状况及支承压力的因素

支架的工作状况，对顶板下沉和煤壁片帮有重要影响。如果支架的支护阻力偏低，就会在煤壁向采空区方向形成一个附加的力矩，加剧煤壁面的变形和片帮。根据现场观测立柱的初撑力和工作阻力，发现部分支架有自泄现象和窜、漏现象，部分支架立柱需更换，根据25221综采工作面矿压观测显示，工作面部分支架的初撑力低。

2.2.2采高因素

工作面采高越大，采出的空间越大，必然导致采煤工作面上覆岩层破坏也越严重，采高越高，在同样位置的老顶可能取得平衡的几率越小；而且在支承压力的作用下，工作面煤壁也越不稳定，易于片帮，因此，采高越高的工作面矿压显现也越严重。

2.2.3工作面推进速度的影响因素

由于工作面目前是两个半班生产，白班半个班不生产。工作面推进速度变慢。而此时煤体在地应力的作用下具有蠕变性，工作面在采煤过程中，随着割煤移架不断前进，煤壁前方一定距离内煤体中的应力不断发生变化。

2.2.4深孔因素

由于5#煤层顶板较为坚硬，必须采用超前预爆破的方式弱化顶板，深孔放顶好坏直接影响了周期压力的步距大小，从而决定了周期来压的强度，而该工作面的周期来压步距较为均匀，基本在11―12m左右，说明工作面深孔循环放顶施工严格按设计要求施工，但其中也存在着一些问题，如装药过程中由于药卷外壳较软，往孔内送药过程药卷外壳破损，乳化炸药不能推至孔终端，导致预爆破效果降低，自由垮落段距离增加，导致周期来压期间20#至40#支架段片帮较为频繁。

2.2.5瓦斯抽放孔因素

该工作面瓦斯抽放孔打的较为密集，虽说抽放瓦斯后可以增加煤体硬度，但也只是针对抽放效果较好的情况下，在抽放效果较差的情况下，密集的抽放孔只会破坏了煤体的完整性，造成煤体裂隙增多，使煤壁的支撑力减小，片帮自然增多。

2.2.6回采工艺因素

25221工作面回采工序为：收护帮板采煤机由上向下割煤收前探梁割煤伸前探梁打开护帮板采煤机由下向上清煤收护帮板收前探梁由下向上移架调架推溜打开护帮板。20137月份对此观测期间，对现场不同回采工序（割煤、清煤、移架）进行了观测与调研，分析认为，在清煤过程中，煤壁发生片帮次数最多，最频繁可达到3～5分钟一次，原因为：在割煤后，工作面达到最大控顶距，此时煤壁受顶板作用力最大，且持续时间较长（需完成割煤与清煤两道工序），所以片帮现象频繁，而在割煤与移架过程中片帮仍有发生，但次数较少。

3大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁片帮控制技术

通过对大倾角煤层大采高工作面煤壁片帮进行深入分析，25221大采高工作面煤壁片帮现场采取了以下技术措施：

3.1支架工作阻力控制技术措施

（1）提高支架的实际初撑力和工作阻力，一般情况下，初撑力应达到支架工作阻力的80%，即5200kN。（2）及时带压移架，使支架顶梁顶住煤壁，及时调整工作面的支架下滑导致的歪倒、陷底、挤架等现象，及时更换损坏立柱、不合格管路和密封胶圈，保证足够的初撑力。（3）提高护帮板的使用率，在机组割煤移架后，立即打开护帮板护帮，在机组割煤前，提前于采煤机1-2架再将护帮板收起，使工作面煤壁始终在扩帮板支撑下。（4）加强工人支架操作的培训与管理，确保支架有足够的注液时间，确保支架的初撑力。

3.2超前预爆破放顶技术优化

顶板预爆破弱化是解决坚硬顶板条件下工作面开采的关键技术问题，因地制宜地对炮孔布置参数进行动态优化才可保证良好的放顶效果，也可有效地防止工作面部分区域阻力过高导致的煤壁片帮。针对工作面中部片帮严重的情况下，调整了深孔爆破参数，将中部自由垮落带的宽度由20m调整到10m，放顶高度由原来的15m调小至12m。

3.3煤壁超前预固技术

针对25221工作面煤体节理裂隙发育特点，对煤壁进行超前加固，采用廉价的硅酸盐类加固材料，在工作面上、下端头超前钻孔及充分利用报废的瓦斯抽放孔对煤壁进行超前加固，既不影响工作面正常推进，又起到了控制煤壁的作用。如果煤壁片帮严重，直接在工作面对煤壁加固，以提高煤壁的强度，防止片帮、冒顶。

3.4减小工作面伪斜角度

降低工作面仰伪斜角度，并严格控制工作面伪斜角度小于3°，降低采面仰伪斜布置导致煤壁片帮的可能性。

3.5其他控制措施

除以上列举的措施可以防止片帮发生，在保证安全的前提下，也可采用适当提高工作面推进速度（大于3m/d）、适时降低工作面采高（3.5m左右）来降低片帮冒顶的概率。

4实施效果

工作面采取了上述措施后，从2013年11月初开始至今未出现一起片帮引起的冒顶事故，采高也由最初的3m调整至4m，25221大倾角大采高综采工作面实现了安全高效生产。

参考文献：

[1]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制.中国矿业大学出版社.1990.10

作者简介：任开明（1967―），男，籍贯：四川，助理工程师，2013年7月毕业于西安科技学院，现在焦煤集团2130煤矿从事煤矿安全生产工作。