保利平山煤业大采高大倾角工作面片帮机理分析及应对措施

杨 晨

（山西保利平山煤业股份有限公司）

保利平山煤业31016工作面设计面长为180 m，推进长度为652 m，平均煤层厚度为4.2 m，可采储量为66万t，工作面煤层整体呈西底东高产状，最大落差90 m；自切眼至停采线段仰采角度：0～310 m段平均角度为0～5°，310～540 m段平均角度为12°（其中回风顺槽为420～530 m段平均角度为16°，420～450 m达17°），540～652 m段平均角度为9°。因31016工作面回采至310～540 m时，仰采角度大于12°，在回采过程中，煤壁容易发生片帮。为避免煤壁片帮事故发生，对其进行研究和治理。

1 片帮机理分析

1.1 煤的自身强度和支承压力的影响

31016工作面煤层普氏系数1.0～1.5，根据岩石软硬分类可知其强度不高，承受应力能力较差。在煤层被不断开挖的过程中，煤体的完整性遭到了破坏，内部会产生裂隙和变形［1］，原有的强度会进一步减弱。而且工作面受到的垂直应力随深度的加深而增大，31016工作面埋深将近650 m，离地面较远，则煤壁前方会产生非常大的支承压力，其压力分布情况见图1。而工作面周期来压更加会加剧应力的集中［2］。

当煤的自身强度减弱且遭受支承压力过大时，煤壁的片帮几率大大增加。如果煤体长时间处于这种状态，不加以干涉，终会无法抵御所承受的压力，发生破碎，造成片帮事故。因此，煤的自身强度和支承压力是影响煤壁片帮一个不可忽视的因素。

1.2 仰采角度和采高的影响

煤壁片帮的形式大致可以分为2类，第1类是拉裂破坏，第2类是剪切破坏。其具体破坏情况见图2。

第1类片帮的主要原因是顶板的力施加在煤壁时会出现横向拉应力，当该应力无法转移或消失，并且超出煤的抗拉强度时，煤体发生破碎；第2类片帮的主要原因是煤壁出现的横向应力由于煤的变形而转移或消失，破坏形式发生了改变，在自身重力和顶板的压力下发生了滑移。

分别对2种片帮情形进行受力分析，并建立力学模型，通过推导化解得到以下计算片帮深度的公式［3-5］。以深度的大小来判断片帮的严重程度。

（1）第1类情形最大破坏深度约为

式中，h为煤壁片帮深度，m；M为煤层厚度，m；α为煤层仰角，（°）；φ为煤层内摩擦角，（°）。

（2）第2类情形最大破坏深度约为

由上面2个式子可以清楚的看到煤层仰采角度与煤壁破坏深度的定量关系。当研究31016工作面煤壁片帮时，在不考虑煤的自身强度和支承压力影响的情况下，保持煤层的厚度和内摩擦角不变，自变量就只是煤层的仰角，则它们两者存在正相关的关系，也就是说片帮深度随仰角的增大而加深，即仰角越大片帮的程度越剧烈。31016工作面310～540 m段平均仰角为12°（其中回风顺槽420～530 m段平均仰角为16°，420～450 m达17°）。这个角度非常危险，极易造成煤壁片帮事故，带来极大的安全隐患，必须加以重视。

由上面2个式子还可以看出，煤层厚度与煤壁破坏深度的定量关系。当研究31016工作面煤壁片帮时，在不考虑煤的自身强度和支承压力影响的情况下，保持煤层的仰角和内摩擦角不变，自变量就只是煤层的厚度，则它们两者存在正比例的关系，也就是说片帮深度随煤厚的增大而加深，即煤层厚度越厚片帮的程度越剧烈。31016工作面工作面采高4.95 m，煤壁承受顶板载荷很大，极易发生破碎，造成事故。

1.3 液压支架的影响

液压支架在开采过程中非常重要，它会和顶板、煤壁组合构成力学整体，承担起支护的作用，工作面示意图见图3。

其对片帮的影响可以概括为以下2点。

（1）31016工作面采高4.95 m，在开采过后会留下较大区域的采空区，而大面积顶板的下沉和回转会改变受力状态，造成应力集中。而破坏往往发生在薄弱的环节，当煤壁强度无法抵御所承受的压力，煤壁发生破碎，造成片帮事故。

（2）如果液压支架的初撑力不够，支架对顶板的支护效果就变差，此时煤壁就要承担多出来的这部分压力，当应力超出煤壁的承受范围时，将造成片帮事故。

2 片帮应对措施

2.1 回采顶板管理

割煤时采取放缓割煤速度，追机拉架，少降快拉，带压擦顶移架，拉超前架的方式控制顶板，移架后及时打开护帮板；片帮后，及时拉超前架，端面距离大仍无法护顶时，及时将一级及二级护帮板打出，贴帮支护（根据顶板情况合理利用护帮板）。加强工作面支架检修工作，支架要保证有足够初撑力，保证初撑力不低于24 MPa，支架不漏液，不窜液、不自动卸载，支架升起后顶梁要升平、升紧。

2.2 注水泥浆

正常情况下，提前在巷道对工作面煤壁前方10～15 m范围，进行打孔注浆加固，采取深浅孔交替注浆工艺，深孔不小于10 m，浅孔不小于5 m、间距3 m，严重段注浆时需配合打设玻璃钢锚杆进行加固支护；对工作面三角区及煤壁片帮严重段加注高分子化学材料进行加固，钻孔沿煤壁侧倾斜前上方顶板施工，一般钻进8～10 m（以钻杆钻进顶板岩石以里0.5～1 m为宜），孔间距4 m，一般单孔注浆量40桶（1 t）。

2.3 防护网及煤机挡煤板

（1）当仰角大于12°时，采用角钢配合平焊钢筋网焊成900 mm×1 200 mm防护网，固定在两立柱中间，避免回采过程中可能发生的片帮煤滚落伤人事故。

（2）在采煤机机身上加装挡煤板（自主加工），避免片帮煤从采煤机机身上方掉入支架内伤人。

2.4 空顶段超前锚网支护

施工至仰角12°以上时，工作面煤壁与支架顶梁端面距大于0.6 m时，局部段因片帮导致顶梁伸缩梁伸出后不能有效接顶，需进行有效支护，具体要求如下。

（1）当超过规定500～1 000 mm范围内空顶时，采取支架顶部搭工字钢梁超前支护措施。

（2）超过规定1 m范围空顶时，必须采取单体柱临时支护后，使用1 m工字钢梁配合4 m长锚索联合支护。

（3）顶板破碎时，需使用全螺纹钢锚杆配合双层菱形网贴顶进行锚网索支护，随后搭设工字钢梁造设假顶，于顶板孔隙处搭设木垛。

3 结 论

这些措施经济有效，切实对片帮进行了控制。注水泥浆和空顶段超前锚网支护对改善煤壁和顶板强度有显著效果，使其可以承受更大的应力，提高围岩的整体稳定性，降低了片帮的几率。加强支架检修工作，保证支架有了足够初撑力，使其对顶板的支护效果能够充分发挥出来，减少了煤壁的受力，有效降低了片帮的隐患。而防护网及煤机挡煤板大大避免了回采过程中的片帮煤滚落伤人的事故，增加了安全性，保障了人员安全。