大采高綜采煤壁片幫的影響因素及防治

1、大采高綜采煤壁片幫的影響因素及防治    < 一、大采高綜采巖層運(yùn)動(dòng)的基本特點(diǎn) 層狀巖體結(jié)構(gòu)是煤系地層的重要特征，隨著煤層的采出，上覆巖層自下而上依次運(yùn)動(dòng)，下位巖層呈現(xiàn)明顯的剝離特征，由于巖層強(qiáng)度、分層厚度以及層、節(jié)理發(fā)育情況不同，各巖層的運(yùn)動(dòng)和垮落步距也有所不同，并且呈現(xiàn)出明顯的成組運(yùn)動(dòng)特征，某些強(qiáng)度較大而又相對(duì)較厚的巖層可形成結(jié)構(gòu)層，又叫作關(guān)鍵層，它在巖層的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起著決定性的作用，而那些強(qiáng)度較低或厚度較小的巖層作為關(guān)鍵層的載荷，通常將在同一組巖層中最下位巖層作為關(guān)鍵層。 單一煤層及厚煤層頂分層開(kāi)采時(shí)，支架直接支撐的是完整性較好的直接頂巖石，

2、與煤體具有明顯的分界面，兩者的強(qiáng)度也具有較大的差異。由于一次采出煤體的空間小，直接頂垮落后即可對(duì)采空區(qū)進(jìn)行比較充分的充填，因此，工作面上覆巖層垮落帶及斷裂帶發(fā)展高度較小，即直接頂厚度較小。老頂斷裂時(shí)，其回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)首先通過(guò)直接頂作用支架頂梁，即首先表現(xiàn)為支架增阻。 對(duì)于大采高開(kāi)采而言，由于采高加大，采空區(qū)空間有了較大幅度的增加，只有更高的垮落帶才能維系整個(gè)采場(chǎng)巖體的平衡。由于巖層頂板的分層垮落特性，原直接頂巖層垮落后不能充滿采空區(qū)時(shí)，一定厚度的下位老頂巖層將作為規(guī)則垮落帶來(lái)彌補(bǔ)采空區(qū)充填的不足，這樣，直接頂?shù)暮穸仍黾?。?shí)測(cè)大采高采場(chǎng)直接頂?shù)目迓涓叨韧ǔ槊簩硬沙龊穸鹊?. 02. 5倍。采高增大使

3、直接頂?shù)目迓涠仍黾樱苯优c支架作用的仍是完整的直接頂巖石，具有較好的傳力效果，因而礦壓顯現(xiàn)明顯增大。 工作面前方的煤體跟巖體一樣，是一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體，表現(xiàn)在力學(xué)上的不連續(xù)性和有條件的轉(zhuǎn)化性，即在較少裂隙組的影響下具有明顯的各向異性，而在較多的裂隙組共同影響下可轉(zhuǎn)化為近似的各向同性，但此時(shí)煤體的強(qiáng)度大大降低，降低程度由煤塊性質(zhì)和節(jié)理裂隙面的性質(zhì)共同決定。 煤體在未開(kāi)采前，處于原始應(yīng)力條件下，應(yīng)力保持相對(duì)平衡，煤體呈現(xiàn)一定的相對(duì)連續(xù)性，當(dāng)煤體開(kāi)采后，煤壁附近煤體應(yīng)力平衡遭到破壞，水平應(yīng)力迅速減小，由于開(kāi)采引起的支承壓力的作用垂直應(yīng)力迅速增大，使煤體產(chǎn)生新的節(jié)理、裂隙，即開(kāi)采引起的次生裂隙

4、發(fā)育，煤壁處于不穩(wěn)定狀態(tài)。隨著老頂?shù)闹芷谛詳嗔褋?lái)壓，煤壁會(huì)在節(jié)理裂隙最發(fā)育的地方最先受到破壞，當(dāng)支承壓力達(dá)到一定值后，煤體加劇破壞，從而造成煤壁片幫，使煤體失去支撐能力，頂板壓力向支架上方轉(zhuǎn)移進(jìn)而使支架受力不均，產(chǎn)生歪倒、翹頂現(xiàn)象，失去對(duì)頂板的控制，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致頂板事故。 因此，為了保證大采高工作面的安全生產(chǎn)，開(kāi)采前必須對(duì)煤體破壞情況進(jìn)行分析，充分了解煤體的承載能力，而要實(shí)現(xiàn)對(duì)煤壁片幫的正確預(yù)測(cè)，就必須確定煤體塑性區(qū)的分布范圍以及分析煤壁片幫機(jī)理。 二、大采高煤壁片幫的影響因素 1、采高對(duì)煤壁片幫的影響 隨工作面的推進(jìn)，在煤壁前方產(chǎn)生了支承壓力 ，在該壓力作用下，煤壁一定深度內(nèi)的煤體首先破壞，

5、并且呈格里菲斯強(qiáng)度破壞特征，出現(xiàn)裂隙，該破壞區(qū)的范圍與煤體強(qiáng)度及應(yīng)力狀態(tài)有很大關(guān)系。特別是在大采高條件下，當(dāng)采高增加后，由于采出的空間增大，需要冒落較多的頂板去充填采空區(qū)，因此，直接頂Eh增加。由于巖梁跨度L與厚度h成正比，直接頂長(zhǎng)度L增加，采場(chǎng)的壓力相應(yīng)增大，頂板下沉量增大，這樣煤支承壓力區(qū)來(lái)自動(dòng)增加長(zhǎng)度去平衡因采高增大而增加的壓力。同時(shí)，采場(chǎng)頂板壓力也隨之增大，使支柱下沉或插底、頂板產(chǎn)生破碎、支柱鉆頂?shù)仁构ぷ髯枇ο鄬?duì)有所減少。這樣，增大采高后直接頂增加產(chǎn)生的壓力不但都加在了“煤壁支座”上，而且因支柱下沉或插底、頂板破碎、支柱鉆頂?shù)仍蚨怪е休d值減小，采場(chǎng)內(nèi)頂板壓力還要向煤壁前方轉(zhuǎn)移。由

6、于煤壁上壓力增大，從而使煤體的裂隙更加發(fā)育。 由于裂隙的發(fā)育，使煤體的強(qiáng)度降低，塑性區(qū)范圍變大。在支承壓力作用下，塑性區(qū)內(nèi)的煤體產(chǎn)生向外的位移，位移量由里向外逐漸變大。在塑性區(qū)內(nèi)，煤體處于極限平衡狀態(tài)，支承壓力的增加或煤體強(qiáng)度的降低均會(huì)導(dǎo)致該區(qū)煤壁外鼓量的增加，這是產(chǎn)生片幫的先兆。 現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采實(shí)踐證明，當(dāng)加大工作面的采高時(shí)，工作面頂板壓力隨之增大，煤壁前方支承應(yīng)力集中程度也隨之增大，從而加劇工作面煤壁片幫和冒頂。邢臺(tái)東龐煤礦在2702工作面II2級(jí)頂板條件下，進(jìn)行大采高一次采全厚綜采實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)礦壓觀測(cè)，得到煤壁片幫深度C與工作面實(shí)際采高H的關(guān)系，如表1所示： 表1：片幫深度與采高H的變化關(guān)系

7、而從圖1可明顯看出，片幫深度隨著實(shí)際采高的增大而呈非線性地增加，當(dāng)采高超過(guò)一定值后，煤壁片幫深度急劇增加。由于大采高綜采工作面煤壁片幫問(wèn)題十分突出，使得一些大采高綜采工作面不得不采取一些專門(mén)的煤壁加固措施，增加了大量的輔助工作量，導(dǎo)致工作面產(chǎn)量降低，成本增加。所以，采高是煤體片幫主要影響因素之一。 圖1：煤壁片幫與采高的關(guān)系 2、支架工作阻力對(duì)煤壁片幫深度的影響 根據(jù)礦山支護(hù)與設(shè)備分站站長(zhǎng)趙宏珠等人的研究，總結(jié)出煤壁片幫與支架工作阻力的關(guān)系為： 其中，C為煤壁片幫深度；Pm為支架最大工作阻力。 圖2 煤壁片幫與工作阻力的關(guān)系 圖2為煤壁片幫與支架工作阻力的線性關(guān)系圖。由圖中可以看出，隨著支架工

8、作阻力的增大，可使煤壁片幫深度呈反比減少，支架工作阻力的大小對(duì)煤壁片幫深度有明顯影響，加大支架工作阻力，可以改善煤壁完好狀態(tài)，如無(wú)其他因素影響，當(dāng)支架工作阻力達(dá)5.01 MN/架，在II1-4頂板條件下，煤壁片幫現(xiàn)象將基本消失，煤壁保持完整。 3、煤體的破裂角及節(jié)理面傾角對(duì)煤壁片幫的影響 煤層頂板壓縮煤壁，隨著頂板的周期性垮落，在超前支承壓力的作用下，方的煤體裂隙比較發(fā)育。在圍巖壓力一定的情況下，隨著節(jié)理面傾角的增大，工作面前煤體的破壞程度逐漸增加；當(dāng)節(jié)理面傾角增大到 ，此時(shí)破裂面上的剪應(yīng)力取得最大值，所以該斷面最容易破壞。但是，如果破裂面與節(jié)理面平行，破壞部分之間在垂直應(yīng)力的作用下，節(jié)理面將

9、閉合，由于節(jié)理面之間摩擦力的存在，則煤體還能承受部分荷載，一般不會(huì)導(dǎo)致煤壁片幫，只會(huì)引起節(jié)理貫穿。如果破裂面與節(jié)理面不平行而形成一定的夾角，破裂面則會(huì)與節(jié)理面相割，使支承壓力高峰區(qū)的煤體形成塊狀結(jié)構(gòu)，由于煤壁前方存在自由面，塊狀煤體則會(huì)在水平拉應(yīng)力的作用下擠出煤體，形成煤壁片幫。 4、老頂回轉(zhuǎn)角對(duì)煤壁片幫的影響 在工作面的推進(jìn)過(guò)程中，老頂會(huì)發(fā)生周期性運(yùn)動(dòng)，已破斷巖塊要產(chǎn)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)（變形失穩(wěn)）現(xiàn)象，從而導(dǎo)致工作面頂板的急劇下沉，這種運(yùn)動(dòng)將迫使直接頂發(fā)生變形及破斷。由于老頂回轉(zhuǎn)角的不同，在直接頂形成的拉斷區(qū)（上部）及壓縮塑性變形區(qū)（煤壁及端面處）的情況也不一樣。將老頂相同轉(zhuǎn)角下所產(chǎn)生的破壞區(qū)連起來(lái)

10、，就形成了老頂回轉(zhuǎn)對(duì)直接頂?shù)募羟衅茐膸?，該帶的位置與老頂?shù)臄嗔盐恢糜嘘P(guān)，在這里值得特別指出的是壓縮破壞區(qū)內(nèi)巖體的塊度及排列狀態(tài)，將決定煤壁是否能片冒下來(lái)，而裂隙的密度在很大程度上決定著端面處煤體的塊度。 通過(guò)以上分析，在支承壓力作用下己處于塑性破壞區(qū)內(nèi)的煤體，在老頂回轉(zhuǎn)作用下迫使頂煤產(chǎn)生位移，同時(shí)由于節(jié)理面與老頂回轉(zhuǎn)引起的剪切破壞帶方向一致，使工作面前方煤體呈碎裂塊體狀態(tài)，面一面接觸整齊排列，這種狀態(tài)下煤體的抗剪能力大大降低，如果煤體節(jié)理面傾角較大，兩面之間的摩擦力變小，更使煤壁難以控制，因此老頂來(lái)壓期間是煤壁及端面處于最難控制的時(shí)期。 5、停采時(shí)間對(duì)煤壁片幫的影響 由綜采面礦壓觀測(cè)結(jié)果可知，

11、頂板的下沉量隨著頂板的周期性垮落，停采時(shí)間成正比，停采時(shí)間越長(zhǎng)，頂板的下沉量越大，對(duì)煤壁及端面區(qū)直接頂?shù)膲嚎s破壞越嚴(yán)重，同時(shí)，由于節(jié)理面不可能是絕對(duì)平整的，在兩面相對(duì)位移量較小時(shí)，凹凸不平處的相互咬合作用，使兩節(jié)理面之間的摩擦力增大，當(dāng)兩面位移量較大時(shí)，這個(gè)作用就會(huì)失去，表現(xiàn)為沿節(jié)理面的大位移量，使工作面出現(xiàn)臺(tái)階下沉，或嚴(yán)重片幫，所以工作面停止推進(jìn)，也是導(dǎo)致煤壁片幫的一個(gè)主要原因。 四、防治煤壁片幫的措施 煤壁片幫及由此引起的冒頂?shù)闹卫?，可以從改進(jìn)設(shè)備機(jī)械裝置及優(yōu)化采礦技術(shù)兩方面進(jìn)行。 1、改進(jìn)頂梁端部結(jié)構(gòu)，加裝防片幫板 據(jù)統(tǒng)計(jì)，大采高工作面煤壁片幫程度與是否采用支架護(hù)幫板有關(guān)。這是因?yàn)樵谥С?/p>

12、壓力的作用下，當(dāng)塑性區(qū)內(nèi)的煤體產(chǎn)生水平位移時(shí)，會(huì)受到護(hù)幫板不同程度的抑制作用。適當(dāng)使用護(hù)幫板并靠近煤壁時(shí)煤壁片幫會(huì)減少；沒(méi)有護(hù)幫板支護(hù)下的片幫幾率約為有支護(hù)的3倍。因此要提高護(hù)幫板的使用率，在機(jī)組割煤移架后，立即打開(kāi)護(hù)幫板護(hù)幫。在機(jī)組割煤前，提前于采煤機(jī)12架才將護(hù)幫板收起，使工作面煤壁始終在擴(kuò)幫板支撐下。為了使片幫發(fā)生初期護(hù)幫板仍能支撐住煤壁，就要改進(jìn)兩端結(jié)構(gòu)，要將護(hù)幫裝置安設(shè)在伸縮梁上以至具有二級(jí)護(hù)幫裝置。 2、提高支架的實(shí)際初撐力和工作阻力 盡可能提高泵站的供液壓力或選擇高壓泵站3235MPa的供液系統(tǒng)，安設(shè)壓力指示器，正確操作移架后升柱；采用初撐力保持閥提高實(shí)際初撐力。 3、提高煤體強(qiáng)度 工作面通過(guò)煤巖破碎帶或老頂來(lái)壓時(shí)加固煤壁，提高其整體強(qiáng)度。如煤壁成大塊狀片落，有一定的自穩(wěn)能力時(shí)，可用木錨桿錨固煤壁；當(dāng)煤巖都很破碎、松軟時(shí)，應(yīng)考慮用聚胺酷加固技術(shù)對(duì)煤壁進(jìn)行超前加固。 4、改進(jìn)回采工藝和操作技術(shù) 采用及時(shí)移架結(jié)構(gòu)（先拉架后推輸送機(jī)）的方法，使支架頂梁頂住煤壁，采煤機(jī)只采底刀，如留有粘頂煤，可利用支架頂梁鏟落；工作面出現(xiàn)局部的片幫和大采高支架歪倒、陷底、擠架等現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)調(diào)整。另外，