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大采高综采煤壁片帮的影响因素及防治

 摘 要:大采高综采所具有的优势使得在国内外被广泛地采用,现己成为国内外厚煤层综采的主要发展方向之一,煤壁的稳定性对大采高支架性能的发挥具有很大影响。本文分析了影响煤壁片帮的5个主要因素:采高、支架工作阻力、煤体节理面倾角、老顶回转角、停采时间等。并通过研究得出结论,随采高的增加,煤体的破坏深度呈指数分布:随工作阻力的增加,煤体的破坏深度呈线性减小,当工作阻力达到5. O1MN/架时,片帮现象基本消失。 
关健词:大采高综采;煤壁片帮;防治 
一、大采高综采岩层运动的基本特点 
层状岩体结构是煤系地层的重要特征,随着煤层的采出,上覆岩层自下而上依次运动,下位岩层呈现明显的剥离特征,由于岩层强度、分层厚度以及层、节理发育情况不同,各岩层的运动和垮落步距也有所不同,并且呈现出明显的成组运动特征,某些强度较大而又相对较厚的岩层可形成结构层,又叫作关健层,它在岩层的运动过程中起着决定性的作用,而那些强度较低或厚度较小的岩层作为关健层的载荷,通常将在同一组岩层中最下位岩层作为关健层。 
单一煤层及厚煤层顶分层开采时,支架直接支撑的是完整性较好的直接顶岩石,与煤体具有明显的分界面,两者的强度也具有较大的差异。由于一次采出煤体的空间小,直接顶垮落后即可对采空区进行比较充分的充填,因此,工作面上覆岩层垮落带及断裂带发展高度较小,即直接顶厚度较小。老顶断裂时,其回转运动首先通过直接顶作用支架顶梁,即首先表现为支架增阻。 
对于大采高开采而言,由于采高加大,采空区空间有了较大幅度的增加,只有更高的垮落带才能维系整个采场岩体的平衡。由于岩层顶板的分层垮落特性,原直接顶岩层垮落后不能充满采空区时,一定厚度的下位老顶岩层将作为规则垮落带来弥补采空区充填的不足,这样,直接顶的厚度增加。实测大采高采场直接顶的垮落高度通常为煤层采出厚度的2. 0-2. 5倍。采高增大使直接顶的垮落度增加,但直接与支架作用的仍是完整的直接顶岩石,具有较好的传力效果,因而矿压显现明显增大。 
工作面前方的煤体跟岩体一样,是一种具有独特结构的结构体,表现在力学上的不连续性和有条件的转化性,即在较少裂隙组的影响下具有明显的各向异性,而在较多的裂隙组共同影响下可转化为近似的各向同性,但此时煤体的强度大大降低,降低程度由煤块性质和节理裂隙面的性质共同决定。 
煤体在未开采前,处于原始应力条件下,应力保持相对平衡,煤体呈现一定的相对连续性,当煤体开采后,煤壁附近煤体应力平衡遭到破坏,水平应力迅速减小,由于开采引起的支承压力的作用垂直应力迅速增大,使煤体产生新的节理、裂隙,即开采引起的次生裂隙发育,煤壁处于不稳定状态。随着老顶的周期性断裂来压,煤壁会在节理裂隙最发育的地方最先受到破坏,当支承压力达到一定值后,煤体加剧破坏,从而造成煤壁片帮,使煤体失去支撑能力,顶板压力向支架上方转移进而使支架受力不均,产生歪倒、翘顶现象,失去对顶板的控制,严重时将导致顶板事故。 
因此,为了保证大采高工作面的安全生产,开采前必须对煤体破坏情况进行分析,充分了解煤体的承载能力,而要实现对煤壁片帮的正确预测,就必须确定煤体塑性区的分布范围以及分析煤壁片帮机理。 

二、大采高煤壁片帮的影响因素 
1、采高对煤壁片帮的影响 
随工作面的推进,在煤壁前方产生了支承压力 ,在该压力作用下,煤壁一定深度内的煤体首先破坏,并且呈格里菲斯强度破坏特征,出现裂隙,该破坏区的范围与煤体强度及应力状态有很大关系。特别是在大采高条件下,当采高增加后,由于采出的空间增大,需要冒落较多的顶板去充填采空区,因此,直接顶Eh增加。由于岩梁跨度L与厚度h成正比,直接顶长度L增加,采场的压力相应增大,顶板下沉量增大,这样煤支承压力区来自动增加长度去平衡因采高增大而增加的压力。同时,采场顶板压力也随之增大,使支柱下沉或插底、顶板产生破碎、支柱钻顶等使工作阻力相对有所减少。这样,增大采高后直接顶增加产生的压力不但都加在了“煤壁支座”上,而且因支柱下沉或插底、顶板破碎、支柱钻顶等原因而使支柱承载值减小,采场内顶板压力还要向煤壁前方转移。由于煤壁上压力增大,从而使煤体的裂隙更加发育。 
由于裂隙的发育,使煤体的强度降低,塑性区范围变大。在支承压力作用下,塑性区内的煤体产生向外的位移,位移量由里向外逐渐变大。在塑性区内,煤体处于极限平衡状态,支承压力的增加或煤体强度的降低均会导致该区煤壁外鼓量的增加,这是产生片帮的先兆。 现场开采实践证明,当加大工作面的采高时,工作面顶板压力随之增大,煤壁前方支承应力集中程度也随之增大,从而加剧工作面煤壁片帮和冒顶。邢台东庞煤矿在2702工作面II2级顶板条件下,进行大采高一次采全厚综采实验时,通过矿压观测,得到煤壁片帮深度C与工作面实际采高H的关系,如表1所示: 
表1:片帮深度与采高H的变化关系 

而从图1可明显看出,片帮深度随着实际采高的增大而呈非线性地增加,当采高超过一定值后,煤壁片帮深度急剧增加。由于大采高综采工作面煤壁片帮问题十分突出,使得一些大采高综采工作面不得不采取一些专门的煤壁加固措施,增加了大量的辅助工作量,导致工作面产量降低,成本增加。所以,采高是煤体片帮主要影响因素之一。 

图1:煤壁片帮与采高的关系 

2、支架工作阻力对煤壁片帮深度的影响 
根据矿山支护与设备分站站长赵宏珠等人的研究,总结出煤壁片帮与支架工作阻力的关系为: 

其中,C为煤壁片帮深度;Pm为支架最大工作阻力。 

图2 煤壁片帮与工作阻力的关系 
图2为煤壁片帮与支架工作阻力的线性关系图。由图中可以看出,随着支架工作阻力的增大,可使煤壁片帮深度呈反比减少,支架工作阻力的大小对煤壁片帮深度有明显影响,加大支架工作阻力,可以改善煤壁完好状态,如无其他因素影响,当支架工作阻力达5.01 MN/架,在II1-4顶板条件下,煤壁片帮现象将基本消失,煤壁保持完整。 

3、煤体的破裂角及节理面倾角对煤壁片帮的影响 
煤层顶板压缩煤壁,随着顶板的周期性垮落,在超前支承压力的作用下,方的煤体裂隙比较发育。在围岩压力一定的情况下,随着节理面倾角的增大,工作面前煤体的破坏程度逐渐增加;当节理面倾角增大到 ,此时破裂面上的剪应力取得最大值,所以该断面最容易破坏。但是,如果破裂面与节理面平行,破坏部分之间在垂直应力的作用下,节理面将闭合,由于节理面之间摩擦力的存在,则煤体还能承受部分荷载,一般不会导致煤壁片帮,只会引起节理贯穿。如果破裂面与节理面不平行而形成一定的夹角,破裂面则会与节理面相割,使支承压力高峰区的煤体形成块状结构,由于煤壁前方存在自由面,块状煤体则会在水平拉应力的作用下挤出煤体,形成煤壁片帮。 

4、老顶回转角对煤壁片帮的影响 
在工作面的推进过程中,老顶会发生周期性运动,已破断岩块要产生回转失稳(变形失稳)现象,从而导致工作面顶板的急剧下沉,这种运动将迫使直接顶发生变形及破断。由于老顶回转角的不同,在直接顶形成的拉断区(上部)及压缩塑性变形区(煤壁及端面处)的情况也不一样。将老顶相同转角下所产生的破坏区连起来,就形成了老顶回转对直接顶的剪切破坏带,该带的位置与老顶的断裂位置有关,在这里值得特别指出的是压缩破坏区内岩体的块度及排列状态,将决定煤壁是否能片冒下来,而裂隙的密度在很大程度上决定着端面处煤体的块度。 
通过以上分析,在支承压力作用下己处于塑性破坏区内的煤体,在老顶回转作用下迫使顶煤产生位移,同时由于节理面与老顶回转引起的剪切破坏带方向一致,使工作面前方煤体呈碎裂块体状态,面一面接触整齐排列,这种状态下煤体的抗剪能力大大降低,如果煤体节理面倾角较大,两面之间的摩擦力变小,更使煤壁难以控制,因此老顶来压期间是煤壁及端面处于最难控制的时期。 

5、停采时间对煤壁片帮的影响 
由综采面矿压观测结果可知,顶板的下沉量随着顶板的周期性垮落,停采时间成正比,停采时间越长,顶板的下沉量越大,对煤壁及端面区直接顶的压缩破坏越严重,同时,由于节理面不可能是绝对平整的,在两面相对位移量较小时,凹凸不平处的相互咬合作用,使两节理面之间的摩擦力增大,当两面位移量较大时,这个作用就会失去,表现为沿节理面的大位移量,使工作面出现台阶下沉,或严重片帮,所以工作面停止推进,也是导致煤壁片帮的一个主要原因。 

四、防治煤壁片帮的措施 
煤壁片帮及由此引起的冒顶的治理,可以从改进设备机械装置及优化采矿技术两方面进行。 
1、改进顶梁端部结构,加装防片帮板 
据统计,大采高工作面煤壁片帮程度与是否采用支架护帮板有关。这是因为在支承压力的作用下,当塑性区内的煤体产生水平位移时,会受到护帮板不同程度的抑制作用。适当使用护帮板并靠近煤壁时煤壁片帮会减少;没有护帮板支护下的片帮几率约为有支护的3倍。因此要提高护帮板的使用率,在机组割煤移架后,立即打开护帮板护帮。在机组割煤前,提前于采煤机1-2架才将护帮板收起,使工作面煤壁始终在扩帮板支撑下。为了使片帮发生初期护帮板仍能支撑住煤壁,就要改进两端结构,要将护帮装置安设在伸缩梁上以至具有二级护帮装置。 
2、提高支架的实际初撑力和工作阻力 
尽可能提高泵站的供液压力或选择高压泵站32-35MPa的供液系统,安设压力指示器,正确操作移架后升柱;采用初撑力保持阀提高实际初撑力。 
3、提高煤体强度 
工作面通过煤岩破碎带或老顶来压时加固煤壁,提高其整体强度。如煤壁成大块状片落,有一定的自稳能力时,可用木锚杆锚固煤壁;当煤岩都很破碎、松软时,应考虑用聚胺酷加固技术对煤壁进行超前加固。 
4、改进回采工艺和操作技术 
采用及时移架结构(先拉架后推输送机)的方法,使支架顶梁顶住煤壁,采煤机只采底刀,如留有粘顶煤,可利用支架顶梁铲落;工作面出现局部的片帮和大采高支架歪倒、陷底、挤架等现象,应及时调整。另外,在设计工作面时应避开上覆煤层遗留煤柱对工作面造成集中压力;工作面推进方向应保证煤层节理应倾向煤壁;工作面应处于俯斜开采,避免仰斜开采。应注意两端支护技术及三机配套。 
参考文献: 
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[3]陈炎光.中国采煤方法[M].徐州:中国矿业大学出版社,1991. 
[4]李广申.邢台矿区矿山压力规律及控制措施[M].徐州:中国矿业大学出版社,1991.

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