西曲矿大采高工作面片帮机理与防治研究

范雨涛

（西山煤电集团有限责任公司，山西 太原 030053）

1 工程概况

山西西山煤电股份有限公司西曲矿位于太原市古郊区，主要开采煤层包括4、7、8、9号煤层，其中8号煤层属于厚煤层，平均厚度为4m，其他煤层属于薄及中厚煤层，本次选择18501工作面进行研究，开采煤层为8号煤层。

图1 18501工作面综合柱状图

18501工作面井下位于南五盘区南部，北邻已回采的18502工作面，南邻已回采的18307工作面，西邻南983运输大巷，东邻西983运输大巷。工作面上覆4号煤14501、14504采空区，煤层间距为65m左右。各工作面均留设保护煤柱。工作面周边无相邻巷道。工作面开采范围内，煤层厚度为3.8～4.4m，平均厚度为4.2m，煤层倾角为1～9°，平均为3°，属于稳定可采煤层。8号煤层结构简单，中部普遍含有一层泥岩夹矸，夹矸厚度变化不大。8号煤层局部顶板为0.23m的炭质泥岩伪顶，直接顶为2.4m的石灰岩，直接底板为1.54m细砂岩，老底为3.13m的粉砂岩。18501工作面采高为4.2m，为大采高工作面，工作面倾斜长度为145m，走向长度为1550m，18501工作面顶底板综合柱状图如图1所示。另外，根据矿井地质资料，18501工作面不会受到火成岩侵入、冲刷带及煤层分叉等对煤层开采产生影响因素。

2 片帮机理分析与防治方案设计

2.1 片帮机理分析

一般情况下，煤层具有一定的承载能力，工作面推进过程中，顶板因煤层的开采形成一定的悬空，对煤层产生压力，并在煤壁内部形成应力集中，当煤壁承受载荷超过其承载能力后，煤壁内部节理裂隙不断扩大，发生煤壁片帮的现象。煤壁出现的破坏形式主要有两种，包括剪切破坏与拉伸破坏，两种破坏形式的出现主要取决于煤层的物理力学性质。煤层强度较弱时，煤壁常发生剪切破坏，煤层强度较高时，煤壁常发生拉伸破坏。由于西曲矿18501工作面开采煤层为8号煤层，煤层强度普氏系数为1.3，为软岩巷道，因此顶板对煤层的垂直作用力造成煤壁发生剪切破坏。将其剪切破坏面简化得到图2。

图2 煤壁剪切破坏分析

根据库仑-摩尔计算准则，当工作面煤壁发生剪切破坏时，在剪切面上会形成抗剪切力和滑动力，剪切力D小于滑动力S时，煤壁即发生破坏，破坏准则为：

式中：

G-安全余量，N；

D-剪切面上的抗剪切力，N；

S-剪切面上的滑动力，N；

C-煤层粘聚力，N；

α-剪切破坏角，（°）；

N-剪切面上的法向应力，N；

φ-煤层内摩擦角，（°）；

h-煤壁片帮高度，m。

在煤壁的上部位置，如图2（a）所示，N与S主要由顶板压力P0、护帮板载荷Q及破坏部分煤体自重W共同作用形成，其表达见式（2）、（3）：

式中：

P0-顶板垂直应力，N；

W-破坏部分煤体自重，N；

q-护帮板载荷集度，常数。

将上述公式带入（1）式中，可得：

在煤壁下部位置，如图2（b）所示，N与S由底板载荷和破坏部分煤体自重W共同构成。

式中：

P1-底板载荷集度。

两者表达式如下（5）、（6）所示

将两式整理并代入（1）式中，可得式（7）：

2.2 防片帮方案设计

由上述对工作面煤壁片帮机理分析可知，工作面煤壁发生片帮的影响因素主要包括工作面采高、煤层物理力学性质、支架的支护强度以及顶板载荷等，但主要取决于工作面采高，采高越大，煤壁发生片帮的可能性越高，因此合理的减小工作面采高能够有效避免片帮现象发生。

在采用大采高一次采全高工作面，常用的方法主要为台阶式回采方法，这种方法可以直接性减小煤壁的直接高度，但在工作面割底后，会再次面临大采高的情况，并且在进刀时回采时间过长，煤壁承载时间加长。针对于此，本文提出了优化方法：在采煤机滚筒上增设长轴，采煤机割煤先沿着顶板进行回采，形成台阶开采，之后再采用上下滚筒同时割煤回采，这种优化方法可以有效减小进刀回采时长，并且能确保实现台阶式回采，降低工作面采高，减少煤壁片帮情况。

3 工程实践

在优化工作面采煤方式后，可实现台阶式割煤作业，现场工作面割煤情况如图3所示，具体过程如下：

图3 回采面台阶形煤壁回采示意

（1）在采煤机割煤滚筒上增加长轴，长度为1.2m，进刀前先沿工作面顶板割煤，实现大采高工作面台阶割煤作业。

（2）采煤机上滚筒沿煤层顶板，在全煤壁区域内割出：宽1.4m，台阶上下高度比2:1（2.8m:1.4m）的台阶形煤壁。

（3）煤壁台阶形成后，以每次进刀0.8m的截深进行回采，回采时上下滚筒同时进行，以确保煤壁保持台阶形态。

西曲矿18501工作面优化开采工艺后，通过长期对工作面开采过程中煤壁片帮情况的监测，得出在监测时间为1个月内，工作面煤壁片帮次数共35次，其中a类片帮次数为15次，占总量的42.9%；b类片帮次数为10次，占总量的28.6%；c类片帮次数为6次，占总量的17.1%；d类片帮次数为4次，占总量的11.4%。根据实践结果，采煤方式优化后工作面片帮次数减少了大约80%，并且片帮煤体的大小也有所减小，因此该采煤方式对煤壁片帮防治起到了较好的效果。

4 结论

本文根据西曲煤矿18501工作面地质条件与现场状况，对工作面片帮机理进行了研究，主要结论如下：

（1）大采高工作面煤壁片帮严重，主要因采高加大后煤壁承受载荷增大，加之煤层强度较低，内部节理裂隙发育，导致片帮现象发生，其破坏形式主要为剪切破坏。

（2）对工作面割煤方式进行优化，采用1.2m长轴，能够实现台阶开采，台阶面上下煤壁高比为2:1（2.8m:1.4m），通过现场实践结果得出该方法有效减少了工作面煤壁片帮次数，效果良好。