大采高工作面上覆岩层回转对煤壁片帮的影响研究

王润生

摘 要：大采高采煤因其特有优势被国内外广泛采用，煤壁的稳定性对大采高支架性能的发挥也有很大的影响。大采高工作面煤壁片帮较为严重，影响了工作面的正常生产，制约了大采高工作面效率的发挥，严重的煤壁片帮导致空顶面积增大，加之地质构造发育，顶板极易产生漏冒。同时，由于空顶面积增大，顶板压力向支架上方转移，支架受力不均衡，易产生咬架、翘顶、倒架等现象。因此，有必要对赵庄煤矿大采高工作面的煤壁片帮机理和其防治技术进行研究，以减少煤壁片帮的发生，维护大采高工作面的正常生产。

关键词：大采高；上覆岩层；片帮；关键块

中图分类号：TD325 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）06-0002-02

1 工程概况

赵庄煤矿为晋煤集团新建的特大型矿井，设计生产能力6×106 t/a，主采3号煤层。井田内，3号煤层赋存稳定，但结构复杂，煤质松软，厚度一般为3.5～6.2 m，平均厚度为5.5 m。煤层倾角为1°～15°，平均为8°，埋藏深度为463.9～633.9 m，平均深度为500 m，工作面采用大采高综采。

由于3号煤层采高大、煤质松软，断层、裂隙、节理、褶曲等地质构造发育（比如3305工作面，揭露断层有28条之多，斜穿过工作面断层就有2条），且埋藏较深，这使得3号煤层开采难度极大，工作面在回采期间压力大，导致直接顶破碎严重，工作面片帮、巷道变形破坏严重，顶板台阶下沉等矿压现象明显。

2 大采高工作面煤壁片帮机理分析

当工作面前方煤壁的塑性区煤体受到割煤、移架等外力影响时，煤壁会发生片帮现象。3302工作面煤壁片帮主要形式有重力滑落式片帮、压剪式片帮和横拱形片帮。

2.1 重力滑落式片帮分析

重力滑落式片帮主要发生在破碎区，破碎区煤体较为松散、破碎，内聚力极低，承载能力差，自稳性差，极易在重力作用下滑动、垮落，直至形成散体介质式的自然安息状态，就会造成重力滑落式片帮，如图1所示。运用散体介质力学理论分析，安息角α就等于煤体的内摩擦角φ，片帮最大深度为：

C=h1cotφ. （1）

公式（1）中：C——片帮最大深度；

h1——片帮高度；

φ——煤体内摩擦角。

其中，片帮深度（C）不大于煤壁破碎区宽度，因此，重力滑落式片帮最大深度为煤壁破碎区宽度。

2.2 压剪式片帮分析

压剪式片帮多发生在顶板来压期间，在较高支承压力的作用下，煤壁塑性区发生剪切式破坏，沿破裂面滑动，造成压剪式片帮，如图2所示。

2.3 横拱形片帮分析

当煤壁被揭露后，煤壁前方煤体由弹性状态变为塑性状态时体积膨胀，从而产生鼓出变形。如果此时在支承压力作用下顶底板移近挤压煤体，煤壁被挤出，即形成横拱形片帮，如图3所示。

3 覆岩回转对煤壁的影响

在采动覆岩中，起主要承载作用的岩层为关键层。因此，关键层一般为较厚的坚硬岩层，坚硬的关键块对煤壁边缘的破坏十分严重。关键块B发生回转，采空区一端触矸，并压实冒落矸石，另一端压缩煤壁变形，直至达到新的力学平衡，如图4关键块B回转后的受力模型。

从图中可以看出，关键块B在上覆载荷Q、煤柱支承力T1、采空区支承力T2、岩块C支承力T3、岩块A支承力T4作用下达到平衡状态，其中α为回转角。

4 煤壁片帮的防治措施

4.1 采用二级护帮板护帮

ZY12000/28/62D液压支架一级护帮板支护强度为0.153 MPa，二级护帮板支护强度为0.147 MPa，护帮板支护强度平均取0.15 MPa，M取5.5 m，φ取35°26′，C取2.05 MPa，煤层的赋存深度H取500 m，γ取25 kN/m3，应力集中系数K取2.02～2.41，计算得工作面前方煤壁的塑性区宽度x0为0.97～1.13 m（无护帮板时塑性区宽度x0为0.98～1.14 m）。由此可见，护帮板对煤壁破碎区范围影响较小，其主要作用是抑制壁破碎区煤体的垮落。

4.2 加强支架初撑力管理

按时检测液压支架供液管路和密封胶圈，以保证泵站能够提供支架足够的初撑力。安设大采高液压支架初撑力保持阀，加强对支架初撑力的管理，使液压支架实际初撑力达到设计初撑力，保证支架不漏液、不窜液、不自动卸载，支架升起后顶梁要升平、升紧。

4.3 及时支护

及时支护，提高液压支架的初撑力，减小工作面端面的应力集中。拉架工必须坚持超前拉架并打出护帮板，要求追机拉架，拉架滞后机组上滚筒3个架。移架要做到少降、快拉、快升，保证及时支护顶板。

4.4 提高围岩强度

由于赵庄煤矿3302工作面地质条件极其复杂，特别是当通过断层、煤岩破碎带或基本顶来压时，要及时加固煤壁和顶板，以提高“支架—煤壁—直接顶”的整体强度。当顶板比较破碎时，可采用玛丽散固化方法或其他固化方法予以加固，使顶板固化，以防冒顶发生。当工作面煤壁出现较大块度的片帮，且煤壁自身具有一定的稳定性时，可采用降低采煤机的截割深度和木锚杆（或树脂锚杆）锚固煤壁这两种方法进行处理。

4.5 改进工作面回采工艺和设备操作技术

尽量使工作面与煤层的主节理方向垂直或斜交，避免煤壁片帮。采用先拉架后推刮板输送机的方法，使支架顶梁顶住工作面煤壁，禁止工作面留顶煤，支架必须接顶。当工作面出现局部片帮和大采高支架歪倒、钻底和咬架等现象时，要及时对支架进行调整。

5 结束语

针对3302工作面的片帮形式，分析煤壁片帮的机理，其分别为重力滑落式片帮、压剪式片帮、横拱形片帮。

重力滑落式片帮主要发生在破碎区内，片帮深度不大，但发生频率较高，主要是由于煤壁直立高度大、煤体强度低造成的。压剪式片帮多发生工作面来压期间，片帮深度大，易造成顶板冒落事故。横拱形片帮主要是由于煤体塑性膨胀和顶底板移近挤压造成的，在工作面发生较少，多发生于巷道内。

在工作面的推进过程中，上覆岩层会发生周期性破断，形成关键块B，以破断岩块B回转对煤壁造成严重破坏。

参考文献

[1]贾俊峰.煤巷片帮类型及锚固机理研究[J].太原理工大学学报，2005（01）.

[2]钱鸣高，缪协兴.岩层控制中得关键层理论研究[J].煤炭学报，1996，21（3）：225-230.

[3]邱以清，张波.大采高采煤煤壁片帮的影响因素及防治[J].科技风，2011（18）.

〔编辑：白洁〕

摘 要：大采高采煤因其特有优势被国内外广泛采用，煤壁的稳定性对大采高支架性能的发挥也有很大的影响。大采高工作面煤壁片帮较为严重，影响了工作面的正常生产，制约了大采高工作面效率的发挥，严重的煤壁片帮导致空顶面积增大，加之地质构造发育，顶板极易产生漏冒。同时，由于空顶面积增大，顶板压力向支架上方转移，支架受力不均衡，易产生咬架、翘顶、倒架等现象。因此，有必要对赵庄煤矿大采高工作面的煤壁片帮机理和其防治技术进行研究，以减少煤壁片帮的发生，维护大采高工作面的正常生产。

关键词：大采高；上覆岩层；片帮；关键块

中图分类号：TD325 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）06-0002-02

1 工程概况

赵庄煤矿为晋煤集团新建的特大型矿井，设计生产能力6×106 t/a，主采3号煤层。井田内，3号煤层赋存稳定，但结构复杂，煤质松软，厚度一般为3.5～6.2 m，平均厚度为5.5 m。煤层倾角为1°～15°，平均为8°，埋藏深度为463.9～633.9 m，平均深度为500 m，工作面采用大采高综采。

由于3号煤层采高大、煤质松软，断层、裂隙、节理、褶曲等地质构造发育（比如3305工作面，揭露断层有28条之多，斜穿过工作面断层就有2条），且埋藏较深，这使得3号煤层开采难度极大，工作面在回采期间压力大，导致直接顶破碎严重，工作面片帮、巷道变形破坏严重，顶板台阶下沉等矿压现象明显。

2 大采高工作面煤壁片帮机理分析

当工作面前方煤壁的塑性区煤体受到割煤、移架等外力影响时，煤壁会发生片帮现象。3302工作面煤壁片帮主要形式有重力滑落式片帮、压剪式片帮和横拱形片帮。

2.1 重力滑落式片帮分析

重力滑落式片帮主要发生在破碎区，破碎区煤体较为松散、破碎，内聚力极低，承载能力差，自稳性差，极易在重力作用下滑动、垮落，直至形成散体介质式的自然安息状态，就会造成重力滑落式片帮，如图1所示。运用散体介质力学理论分析，安息角α就等于煤体的内摩擦角φ，片帮最大深度为：

C=h1cotφ. （1）

公式（1）中：C——片帮最大深度；

h1——片帮高度；

φ——煤体内摩擦角。

其中，片帮深度（C）不大于煤壁破碎区宽度，因此，重力滑落式片帮最大深度为煤壁破碎区宽度。

2.2 压剪式片帮分析

压剪式片帮多发生在顶板来压期间，在较高支承压力的作用下，煤壁塑性区发生剪切式破坏，沿破裂面滑动，造成压剪式片帮，如图2所示。

2.3 横拱形片帮分析

当煤壁被揭露后，煤壁前方煤体由弹性状态变为塑性状态时体积膨胀，从而产生鼓出变形。如果此时在支承压力作用下顶底板移近挤压煤体，煤壁被挤出，即形成横拱形片帮，如图3所示。

3 覆岩回转对煤壁的影响

在采动覆岩中，起主要承载作用的岩层为关键层。因此，关键层一般为较厚的坚硬岩层，坚硬的关键块对煤壁边缘的破坏十分严重。关键块B发生回转，采空区一端触矸，并压实冒落矸石，另一端压缩煤壁变形，直至达到新的力学平衡，如图4关键块B回转后的受力模型。

从图中可以看出，关键块B在上覆载荷Q、煤柱支承力T1、采空区支承力T2、岩块C支承力T3、岩块A支承力T4作用下达到平衡状态，其中α为回转角。

4 煤壁片帮的防治措施

4.1 采用二级护帮板护帮

ZY12000/28/62D液压支架一级护帮板支护强度为0.153 MPa，二级护帮板支护强度为0.147 MPa，护帮板支护强度平均取0.15 MPa，M取5.5 m，φ取35°26′，C取2.05 MPa，煤层的赋存深度H取500 m，γ取25 kN/m3，应力集中系数K取2.02～2.41，计算得工作面前方煤壁的塑性区宽度x0为0.97～1.13 m（无护帮板时塑性区宽度x0为0.98～1.14 m）。由此可见，护帮板对煤壁破碎区范围影响较小，其主要作用是抑制壁破碎区煤体的垮落。

4.2 加强支架初撑力管理

按时检测液压支架供液管路和密封胶圈，以保证泵站能够提供支架足够的初撑力。安设大采高液压支架初撑力保持阀，加强对支架初撑力的管理，使液压支架实际初撑力达到设计初撑力，保证支架不漏液、不窜液、不自动卸载，支架升起后顶梁要升平、升紧。

4.3 及时支护

及时支护，提高液压支架的初撑力，减小工作面端面的应力集中。拉架工必须坚持超前拉架并打出护帮板，要求追机拉架，拉架滞后机组上滚筒3个架。移架要做到少降、快拉、快升，保证及时支护顶板。

4.4 提高围岩强度

由于赵庄煤矿3302工作面地质条件极其复杂，特别是当通过断层、煤岩破碎带或基本顶来压时，要及时加固煤壁和顶板，以提高“支架—煤壁—直接顶”的整体强度。当顶板比较破碎时，可采用玛丽散固化方法或其他固化方法予以加固，使顶板固化，以防冒顶发生。当工作面煤壁出现较大块度的片帮，且煤壁自身具有一定的稳定性时，可采用降低采煤机的截割深度和木锚杆（或树脂锚杆）锚固煤壁这两种方法进行处理。

4.5 改进工作面回采工艺和设备操作技术

尽量使工作面与煤层的主节理方向垂直或斜交，避免煤壁片帮。采用先拉架后推刮板输送机的方法，使支架顶梁顶住工作面煤壁，禁止工作面留顶煤，支架必须接顶。当工作面出现局部片帮和大采高支架歪倒、钻底和咬架等现象时，要及时对支架进行调整。

5 结束语

针对3302工作面的片帮形式，分析煤壁片帮的机理，其分别为重力滑落式片帮、压剪式片帮、横拱形片帮。

重力滑落式片帮主要发生在破碎区内，片帮深度不大，但发生频率较高，主要是由于煤壁直立高度大、煤体强度低造成的。压剪式片帮多发生工作面来压期间，片帮深度大，易造成顶板冒落事故。横拱形片帮主要是由于煤体塑性膨胀和顶底板移近挤压造成的，在工作面发生较少，多发生于巷道内。

在工作面的推进过程中，上覆岩层会发生周期性破断，形成关键块B，以破断岩块B回转对煤壁造成严重破坏。

参考文献

[1]贾俊峰.煤巷片帮类型及锚固机理研究[J].太原理工大学学报，2005（01）.

[2]钱鸣高，缪协兴.岩层控制中得关键层理论研究[J].煤炭学报，1996，21（3）：225-230.

[3]邱以清，张波.大采高采煤煤壁片帮的影响因素及防治[J].科技风，2011（18）.

〔编辑：白洁〕

摘 要：大采高采煤因其特有优势被国内外广泛采用，煤壁的稳定性对大采高支架性能的发挥也有很大的影响。大采高工作面煤壁片帮较为严重，影响了工作面的正常生产，制约了大采高工作面效率的发挥，严重的煤壁片帮导致空顶面积增大，加之地质构造发育，顶板极易产生漏冒。同时，由于空顶面积增大，顶板压力向支架上方转移，支架受力不均衡，易产生咬架、翘顶、倒架等现象。因此，有必要对赵庄煤矿大采高工作面的煤壁片帮机理和其防治技术进行研究，以减少煤壁片帮的发生，维护大采高工作面的正常生产。

关键词：大采高；上覆岩层；片帮；关键块

中图分类号：TD325 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）06-0002-02

1 工程概况

赵庄煤矿为晋煤集团新建的特大型矿井，设计生产能力6×106 t/a，主采3号煤层。井田内，3号煤层赋存稳定，但结构复杂，煤质松软，厚度一般为3.5～6.2 m，平均厚度为5.5 m。煤层倾角为1°～15°，平均为8°，埋藏深度为463.9～633.9 m，平均深度为500 m，工作面采用大采高综采。

由于3号煤层采高大、煤质松软，断层、裂隙、节理、褶曲等地质构造发育（比如3305工作面，揭露断层有28条之多，斜穿过工作面断层就有2条），且埋藏较深，这使得3号煤层开采难度极大，工作面在回采期间压力大，导致直接顶破碎严重，工作面片帮、巷道变形破坏严重，顶板台阶下沉等矿压现象明显。

2 大采高工作面煤壁片帮机理分析

当工作面前方煤壁的塑性区煤体受到割煤、移架等外力影响时，煤壁会发生片帮现象。3302工作面煤壁片帮主要形式有重力滑落式片帮、压剪式片帮和横拱形片帮。

2.1 重力滑落式片帮分析

重力滑落式片帮主要发生在破碎区，破碎区煤体较为松散、破碎，内聚力极低，承载能力差，自稳性差，极易在重力作用下滑动、垮落，直至形成散体介质式的自然安息状态，就会造成重力滑落式片帮，如图1所示。运用散体介质力学理论分析，安息角α就等于煤体的内摩擦角φ，片帮最大深度为：

C=h1cotφ. （1）

公式（1）中：C——片帮最大深度；

h1——片帮高度；

φ——煤体内摩擦角。

其中，片帮深度（C）不大于煤壁破碎区宽度，因此，重力滑落式片帮最大深度为煤壁破碎区宽度。

2.2 压剪式片帮分析

压剪式片帮多发生在顶板来压期间，在较高支承压力的作用下，煤壁塑性区发生剪切式破坏，沿破裂面滑动，造成压剪式片帮，如图2所示。

2.3 横拱形片帮分析

当煤壁被揭露后，煤壁前方煤体由弹性状态变为塑性状态时体积膨胀，从而产生鼓出变形。如果此时在支承压力作用下顶底板移近挤压煤体，煤壁被挤出，即形成横拱形片帮，如图3所示。

3 覆岩回转对煤壁的影响

在采动覆岩中，起主要承载作用的岩层为关键层。因此，关键层一般为较厚的坚硬岩层，坚硬的关键块对煤壁边缘的破坏十分严重。关键块B发生回转，采空区一端触矸，并压实冒落矸石，另一端压缩煤壁变形，直至达到新的力学平衡，如图4关键块B回转后的受力模型。

从图中可以看出，关键块B在上覆载荷Q、煤柱支承力T1、采空区支承力T2、岩块C支承力T3、岩块A支承力T4作用下达到平衡状态，其中α为回转角。

4 煤壁片帮的防治措施

4.1 采用二级护帮板护帮

ZY12000/28/62D液压支架一级护帮板支护强度为0.153 MPa，二级护帮板支护强度为0.147 MPa，护帮板支护强度平均取0.15 MPa，M取5.5 m，φ取35°26′，C取2.05 MPa，煤层的赋存深度H取500 m，γ取25 kN/m3，应力集中系数K取2.02～2.41，计算得工作面前方煤壁的塑性区宽度x0为0.97～1.13 m（无护帮板时塑性区宽度x0为0.98～1.14 m）。由此可见，护帮板对煤壁破碎区范围影响较小，其主要作用是抑制壁破碎区煤体的垮落。

4.2 加强支架初撑力管理

按时检测液压支架供液管路和密封胶圈，以保证泵站能够提供支架足够的初撑力。安设大采高液压支架初撑力保持阀，加强对支架初撑力的管理，使液压支架实际初撑力达到设计初撑力，保证支架不漏液、不窜液、不自动卸载，支架升起后顶梁要升平、升紧。

4.3 及时支护

及时支护，提高液压支架的初撑力，减小工作面端面的应力集中。拉架工必须坚持超前拉架并打出护帮板，要求追机拉架，拉架滞后机组上滚筒3个架。移架要做到少降、快拉、快升，保证及时支护顶板。

4.4 提高围岩强度

由于赵庄煤矿3302工作面地质条件极其复杂，特别是当通过断层、煤岩破碎带或基本顶来压时，要及时加固煤壁和顶板，以提高“支架—煤壁—直接顶”的整体强度。当顶板比较破碎时，可采用玛丽散固化方法或其他固化方法予以加固，使顶板固化，以防冒顶发生。当工作面煤壁出现较大块度的片帮，且煤壁自身具有一定的稳定性时，可采用降低采煤机的截割深度和木锚杆（或树脂锚杆）锚固煤壁这两种方法进行处理。

4.5 改进工作面回采工艺和设备操作技术

尽量使工作面与煤层的主节理方向垂直或斜交，避免煤壁片帮。采用先拉架后推刮板输送机的方法，使支架顶梁顶住工作面煤壁，禁止工作面留顶煤，支架必须接顶。当工作面出现局部片帮和大采高支架歪倒、钻底和咬架等现象时，要及时对支架进行调整。

5 结束语

针对3302工作面的片帮形式，分析煤壁片帮的机理，其分别为重力滑落式片帮、压剪式片帮、横拱形片帮。

重力滑落式片帮主要发生在破碎区内，片帮深度不大，但发生频率较高，主要是由于煤壁直立高度大、煤体强度低造成的。压剪式片帮多发生工作面来压期间，片帮深度大，易造成顶板冒落事故。横拱形片帮主要是由于煤体塑性膨胀和顶底板移近挤压造成的，在工作面发生较少，多发生于巷道内。

在工作面的推进过程中，上覆岩层会发生周期性破断，形成关键块B，以破断岩块B回转对煤壁造成严重破坏。

参考文献

[1]贾俊峰.煤巷片帮类型及锚固机理研究[J].太原理工大学学报，2005（01）.

[2]钱鸣高，缪协兴.岩层控制中得关键层理论研究[J].煤炭学报，1996，21（3）：225-230.

[3]邱以清，张波.大采高采煤煤壁片帮的影响因素及防治[J].科技风，2011（18）.

〔编辑：白洁〕