1 工作面概况
A 矿井现正开采 8# 煤层,该煤层平均倾角为 5°,煤层均厚为 6.3 m,属于缓倾斜厚煤层。煤层中有 5 层夹矸,普氏系数为 1.2,煤层硬度较小,节理裂隙较发育。结合矿井实际条件,8# 煤层开采选择大采高综采工艺。首采面 8101 工作面推进过程中,煤壁出现严重的片帮问题,片帮形式主要为上部片帮、中上部片帮和整个煤壁片帮 3 种。在 3 种煤壁片帮形式中,上部片帮发生次数最多。同时,片帮情况的出现可能引发端面顶板垮落,这都会给工作面安全回采带来不良影响。
2 大采高综采工作面煤壁片帮的原因
工作面回采会使得应力重新分布,打破原有的力平衡状态。受上覆岩层移动的影响,大采高综采工作面煤壁前方会出现超前支承压力,超前支承压力分布如图 2 所示。自煤壁工作面开始超前支承压力逐渐增加,并在一定距离形成应力峰值,之后应力逐渐降低直至恢复原岩应力。工作面煤体在超前支承压力作用下发生塑性破坏,按照其破坏程度依次可分为松塌区Ⅰ、塑性区Ⅱ、塑性区Ⅲ和弹性区Ⅳ,弹性区与塑性区分界处即应力峰值位置。松塌区煤体破坏严重,承载能力基本为零。塑性区Ⅱ内煤体载荷小于原岩应力,煤体发生松弛和位移,承载能力下降。综上所述,在超前支承压力的作用下,距工作面煤壁一定距离内的煤体会出现不同程度的破坏,内聚力降低,承载能力下降。距煤壁越近,破坏程度越严重,越容易出现煤壁片帮的情况[1]。结合矿井实际情况,总结 8101 工作面煤壁片帮的原因主要有 4 点:a) 工作面采高大。8101 工作面采高接近 6.3 m,属于大采高工作面。随着工作面采高的增加,工作面矿压和煤壁塑性区宽度都会增加,顶板和煤壁处应力较为集中,煤壁裂隙发育位置顶板容易发生破碎和冒顶。同时,8# 煤层煤质软硬分布不均衡,会导致工作面煤壁出现片帮的情况。b) 8# 煤层煤质软。煤层整体硬度较低,在工作面超前支承压力作用下,煤体容易出现塑性破坏,进而导致煤体承载能力下降。工作面推进至塑性破坏位置时,极易发生煤壁片帮的情况。c) 地质条件复杂。在采区范围内,断层、褶曲、节理、裂隙等较为发育,同时,煤层产状变化也较大。在这些因素的综合作用下,工作面出现片帮的概率也非常高。d) 工作面推进速度慢。工作面推进速度慢,会使得工作面煤壁出现采动应力集中的情况,当煤壁裂隙进一步发育,达到一定程度时将出现片帮垮落的情况。特别是工作面过地质构造时,其推进速度不超过 2 m/d,顶板下沉量较大,煤壁出现片帮的概率非常高[2]。
3 工作面煤壁片帮控制综合技术
3.1 提高支架初撑力和支护阻力
支架初撑力对煤壁稳定性有重要影响。初撑力偏低,煤壁出现片帮的概率就越大。因此,设计采区工作面时,应结合矿井实际条件,选用适宜的支架,其额定支护阻力应足够大,确保支护效率。同时,还要加强对支护质量的监测,检查支架顶梁是否充分接顶,支护阻力是否异常,确保支护阻力处于正常范围。
3.2 发挥护帮装置作用
在大采高综采工作面生产中,应该充分发挥护帮装置的作用,追机带压移架,及时将护帮板伸出,以缩减工作面上部煤体悬漏范围和时间。同时,支架移动应尽可能一次到位,避免移架过程中对煤壁造成多次支撑,加剧顶板的破碎。护帮板的作用主要是为煤体提供水平推力,以有效增加煤壁的承载能力,实际生产中应做好以下 2 点:a) 适当增加护帮板水平推力数值,增大护帮面积结合工作面生产需要选用三级护帮装置,本矿井工作面护帮高度应达到 3.7 m。如果工作面推进过程中出现严重的片帮情况,因确保一级护帮板与顶板或煤壁紧贴,二级护帮板紧贴煤壁。b) 在工作面推进过程中,选派专人负责伸缩梁和护帮板的伸出和收回,以提高护帮装置支护的时效性[3]。
3.3 提高煤壁煤体强度
运用坑透探测的方法对工作面煤壁前方的煤体结构进行探测,了解其煤体塑性变形破坏情况,查看煤壁前方是否存在地质构造,以便于工作面生产中提前做好加固措施。工作面煤壁片帮范围与超前支承应力峰值位置有关,峰值位置前后分别为塑性区和弹性区。为提高煤壁前方塑性区煤体的强度,可采用注入化学浆的方式进行加固,以提高煤壁的稳定性[4]。
3.4 其他措施
除采用上述技术措施外,还可以综合采用以下措施:a) 加快工作面的推进速度。综合考虑工作面安全生产和产量的需要,适当增加工作面日推进量,尽可能缩短煤壁暴露时间。如果遇到断层、褶曲等不良地质构造时,需减慢工作面推进速度,先采取必要的处理措施。b) 应用台阶割煤法,先割煤壁上部厚度约 3.5 m的顶煤,跟进移架护顶、不推溜,采煤机返回时割煤。针对该矿井 8# 煤层煤质较软的情况,且煤壁片帮主要发生在上部,采用台阶割煤法能够减小工作面煤壁直立面积,减少试件,以有效提高煤壁的稳定性。c) 加强生产技术管理。工作面煤壁片帮与冒顶应以预防为主,提前做好预防措施,要对工作面矿压情况、工作面煤壁和支架状况进行实时监测分析,做好来压预报,如果遇到特殊情况,需及时通知生产区队。同时,还要保证工作面机械设备的运行状态,做好机械设备的检修维护,确保大采高综采工作面所有设备均处于良好的运行状态[5]。
4 结语
8101 工作面生产过程中出现严重的煤壁片帮情况,片帮形式有上部片帮、中上部片帮和整个煤壁片帮,但主要以煤壁上部片帮为主。大采高综采工作面煤壁片帮主要受到超前支承压力的作用,塑性区煤体变形破坏严重,承载能力低。煤壁片帮主要发生在塑性区,造成煤壁片帮的原因主要是工作面采高大、煤质软、地质条件复杂、工作面推进速度慢等。控制煤壁片帮可综合运用提高支架初撑力和支护阻力,发挥护帮装置作用,提高煤壁强度等方式。实践证明,工作面煤壁片帮问题得到有效控制,保证了工作面的安全高效回采。