大采高综采工作面煤壁片帮影响因素分析及控制措施探析

王 强

（大同煤矿集团同生精通兴旺煤业有限公司，山西 大同 037003）

在综采工作面周期来压期间通常会产生煤壁片帮现象，大范围的煤壁片帮会造成刮板输送机溜槽链子被压坏、采煤机链带和电缆损坏、甚至发生工作面冒顶事故等，严重威胁工作面人员的人身安全以及设备的正常运转，致使综采工作面的生产效率及开机率较低。当采高工作面超大时，开采作业时上覆岩层顶板运动剧烈，来压时工作面煤壁在集中应力作用下通常会产生片帮现象，严重威胁工作面的安全生产。综上所述，研究大采高工作面煤壁片帮的形成因素及防治措施十分重要。

1 综采工作面煤壁片帮形式

如图1所示，在煤体重力和顶板压力的共同作用下，大采高综采工作面煤壁片帮形式主要为拉裂破坏和剪切破坏。

图1 大采高煤壁片帮破坏形式

1.1 拉裂破坏

在较硬的煤质煤层中易发生拉裂破坏，是由于煤体变形量较小承受不住上覆岩层顶板压力的情况下，煤壁产生拉应力，当拉应力超过煤体抗拉力，受拉破坏产生，煤壁片帮拉裂破坏产生。

1.2 剪切破坏

剪切破坏通常发生在煤质较软时，煤体重力和上覆岩层顶板压力共同作用下的变形在煤体自身变形的可承受范围内，其两种作用力产生的剪应力，一旦超过煤体的抗剪强度时，煤壁片帮剪切破坏形成[1]。

2 综采工作面煤壁片帮影响因素

2.1 煤体强度

煤壁片帮最主要的影响因素则是煤体强度，煤的物理性质与节理发育程度影响着煤体强度，当煤体节理发育越多、煤体较软、或煤体坚硬且脆度较大时，煤体更易遭到破坏，产生煤壁片帮。

2.2 支承压力

在回采大采高综采工作面过程中，上覆岩层会产生剧烈活动，工作面前方煤体会承受基本顶关键块断裂和移动期间产生的作用力，使煤体承载的应力明显增大，其应力大到超过煤体的抗拉或抗剪强度时，煤壁破坏产生且范围不断增大，向煤体内部延伸，造成煤体不同程度的弹塑区域。

2.3 液压支架特性

综采支架的主要功能是为综采工作面煤壁提供有效支护，其能够有效保护工作面安全，能减少煤壁片帮的产生。使用具有护帮板的液压支架后，煤壁应力情况得以明显改善，其煤壁侧水平位移缩短，减弱煤壁片帮情况。此外，煤壁片帮深度也受支架端面距的影响，端面距越大，则煤壁最大片帮深度越大。

2.4 工作面采高

超前应力影响范围随着采高的增大而增大，更易发生煤壁片帮现象。上覆岩层破断后的回转空间会随着工作面开采空间的增大而增大，基本顶在移动时对煤壁产生作用，煤体结构被破坏造成其稳定性下降，产生煤体裂隙，塑性破坏的面积范围不断增大，使得煤壁片帮产生的概率较高。

3 综采工作面煤壁片帮数值模拟分析

3.1 综采工作面煤壁片帮几何模型及力学参数的确定

如图2所示，为工作面煤壁片帮几何模型，其长宽高分别为500m、400m 和80m，煤层厚度约8.8m，煤层倾角为0°。对影响大采高综采工作面煤壁稳定性的分析研究通过FLAC3D数值模拟软件实现。

图2 工作面煤壁片帮几何模型

3.2 综采工作面煤壁片帮的判断依据

在破坏区域内产生的大采高工作面煤壁片帮，其煤壁片帮发生的概率和严重性随着拉伸破坏区域的增大而增大，本文中的模拟对煤体片帮状况的判断依据为开采期间的煤体水平位移、破坏面积和破坏形式。

3.3 综采工作面煤壁片帮数值模拟结果研究

本文模拟了采高分别为4.5m、5.5m 和6.3m 时，综采工作面煤壁片帮的状况，用液压支架支护强度代表其垂直向上应力，从而对不同采高工作面煤壁片帮的影响进行分析。

3.3.1 不同采高工作面煤壁片帮水平位移

如图3所示，为采高5.5m和6.3m的工作面煤壁水平位移曲线图，从中可看出，在煤壁的自由面处工作面煤壁水平位移量最大，通常最靠近煤壁顶板处的水平位移大于煤壁中上部位置。例如，工作面采高为8.8m时，其煤壁水平位移值在距煤层顶板0.5m 处为20.127m，而距煤层顶板3.5m 处的煤壁水平位移值为24.476m。一般情况下，现场煤壁片帮发生的规律与在煤壁中上部其最大位移量情况相一致。

图3 不同采高煤壁水平位移曲线图

随着工作面采高增大，其煤壁水平变形增大：当工作面采高为5.5m 时，煤壁最大水平位移量约16.661mm 发生在距煤层顶板2.5m 处；当工作面采高为8.8m 时，煤壁最大水平位移量约为24.476mm 发生在距煤层顶板3.5m 处。一旦工作面煤壁水平位移超过10mm，煤壁不稳定极易产生煤壁片帮[2]。

3.3.2 不同采高工作面煤壁片帮破坏形式及范围

如图4所示，为不同采高工作面煤壁破坏形式图，从中可看出：

图4 不同采高时工作面煤壁破坏形成形式

（1）采高为5.5m 时，其工作面前方煤体的主要破坏形式为剪切破坏，其范围最大至前方2.2m，拉伸破坏范围较少，最大范围至前方1.3m，中间煤体区域两种破坏形式均有。

（2）采高为6.3m 时，工作面前方煤体的破坏形式为拉伸破坏和剪切破坏，剪切破坏区域范围为2.5m，拉伸破坏面积增大，两破坏区域重叠区域宽度为1.5m。

综上所述，不同采高情况下，拉伸和剪切破坏是煤壁的主要形式，随着采高增加，煤壁破坏形式由剪切破坏向拉伸破坏转变，二者的重叠区域增加，煤体稳定性较差煤壁片帮产生概率极大[3]。

4 结语

因此，可采取以下措施以降低综采工作面片帮及冒顶事故的产生。

（1）加速推进工作面，以减少超前集中应力与煤壁间的作用时间。以减弱破坏程度。

（2）通过追机带压移架，及时伸出护帮板，减少顶板的破碎，利用护帮装置，增大护帮面积和护帮高度，延长支架对顶板和煤壁的支护时间，以减少煤壁片帮。

（3）增强支架初撑力和前端支顶力。通过该方式提升支架围岩的作用效果，使综采工作面煤体的应力情况发生变化，从而有效减弱上覆岩层对煤壁的作用力。

（4）改进回采流程。通过及时移架的措施，对综采工作面顶板空顶部分进行快速有效的支护，并按照不同的煤质情况控制采煤机的截深。