王庄煤矿8101大采高工作面为研究背景
收稿日期：2013-12-31作者简介：白飞（1984），男，陕西礼泉人，助理工程师，从事煤矿安全技术及管理工作。doi：10..1005-2798.2014.06.025大采高采场煤壁片帮和顶板冒落相关性研究（潞安环能股份公司王庄煤矿，山西长治）要：以王庄煤矿8101大采高工作面为研究背景，采高达6.m易冒落的顶板，基于围岩整体性的客观事实，分别以煤壁先片帮和顶板先冒落为例详细探讨其内在相关性。在现场支架护顶和护帮操作中，必须保证每一环节都扎实有效。关键词：大采高；滑落；破碎；三级护帮中图分类号：TD32文献标识码：B文章编号：1005-2798（2014）06-0071-03厚煤层的开采先后经历了分层开采、放顶煤开采和大采高开采。我国少数煤矿工程和研究人员在20世纪60年代就开始了大采高开采技术的研究，但真正实现大范围推广应用还不足20余年。在大采高开采带给煤炭生产采出率高、低矸石率等突出优点的同时，采高的加大引起的煤壁片帮和顶板冒落等安全事故频繁发生且日益凸显。虽然针对大采高采场围岩稳定性的研究层出不穷，但其研究对象均为3，类似王庄煤矿8101工作面一次采全高的大采高的研究成果还几乎空白。
本文以王庄煤矿8101工作面为研究背景，重点分析左右的煤壁片帮和顶板冒落分类，并且注重其内在联系探讨二者的相关性。工程背景王庄煤矿8101工作面是潞安集团大采高开采的试点工作面，肩负着潞安矿区摸索大采高开采技术路线的重任。该工作面是81采区首个回采面，无450m，煤层平均厚度m，赋存稳定，属近水平煤层。工作面无对回采较大影响的地质构造，顶板中有厚约12.的泥岩或砂质泥岩，其上为粗砂岩、细砂岩。支架高度，额定工作阻力，支护强度1.24MPa，附带三级护帮装置，护帮高度累计4.m。工作面一次采全高将煤破碎采出。根据煤壁片帮机理以及其表现形式、片帮范围等可将采场煤壁片帮分为劈裂式、重力滑落式、横拱通常，在采动超前支承压力以及老顶破断岩梁给定变形的附加载荷的作用下且煤体强度较高时，煤壁表现出硬岩的破坏形式（煤岩体由外向里逐层环状“拨葱式”剥离），即劈裂式片帮，如图1（a）所示。煤是一种结构弱面极为发育的有机沉积矿物，内部裂隙随机分布。若垂直层理与工作面平行发育的裂隙较多时，裂隙被割煤揭露或接近后，工作面也会出现劈裂式片帮。8101工作面煤样试件的单轴抗压强度在8.MPa之间，不属于硬岩，不会由于前者原因而形成煤壁片帮。
若出现劈裂式片帮一般是后者原因所致，该现象与超前支承压力强度、老顶给定变形的附加载荷大小、煤体内的原生和次生裂隙方向等因素有关。完整（含裂隙）岩体达到或超过其强度极限后，将逐渐反复破裂成岩块，岩块沿破裂面滑移又会形问题探讨总第178成一定承载结构，承载结构在外部载荷下再次断裂成更小岩块，如此过程反复进行，岩块越来越小煤是一种软岩，这一过程相对较快。煤壁浅处破碎程度较高呈松散状后，在自重力影响下松散煤体将发生滑落易冒落的顶板，直至形成散体介质式的自然安息状态，即重力滑落式片帮。该类片帮的深度、高度及范围与煤体内的裂隙、夹矸层理等结构弱面的发育程度息息相关，一般没有固定的形状和规律。如果工作面片帮为全采高片帮，根据散体介质理论：破碎煤体的自然安息角α等于煤体的内摩擦角ψ，最大片帮深为工作面采高，8101工作面采高为11.77煤壁内裂隙较少且完整时，承受较高支承压力后，煤壁整体会出现沿剪切面破裂滑移式的片帮，这种现象叫做压剪式片帮，如图1（b）所示。煤壁与剪切滑移面夹角β经计算可得最大片帮深度为3.93煤体被揭露过程相当于撤去围压，使煤体由三向应力状态转变为两向应力。煤壁将会由于侧向力的失效而产生横向膨胀变形，当达到其变形极限，则会失稳垮落，这一现象叫做横拱式片帮，如图1（c）所示。
借用普式冒落拱的理论分析结果可知，在与层理相垂直的支承压力下，片帮最大深度约为：为煤体的普氏系数。由上式可知，8101大采高工作面采高为原来放顶煤开采的二倍，片帮深度也是放顶煤开采的二倍，最大片帮深度约为顶板冒落采场顶板冒落大致可分为两种情况：一是关键块的失稳掉落；二是岩层破碎成散体后的冒落当顶板因应力调整和内部裂隙破裂成较大块体时，其力学行为特征符合块体力学原理，即顶板岩块结构中将出现关键块体。顶板是否冒落，冒落高度和范围与关键块的形状及大小以及块体结构的稳定程度有关，如图2（a）所示。而顶板中的水平应力，顶板岩层摩擦角的大小以及破碎岩块边界面与临空面的空间位置关系等是关键块体能否出现的决定性因素，这些因素并不是越大或者越小就容易冒落，而是这些因素相互作用下的破裂块体结构的整体稳定性决定的。当顶板岩层破碎程度较高时，其力学行为特征近似于散体介质，即充分的水平挤压作用下，下部碎石将会因重力的作用而发生冒落直至形成自然冒落平衡拱，如图2（b）所示。由散体介质力学原理可知，冒落拱的高度与围岩岩石特性以及端面控顶距有关。煤壁片帮和顶板冒落相关性探讨地下每一岩层都与其相邻岩层紧密结合，表现出地下岩体的整体性质。
对任何一种地下工程都不能孤立地探讨单一岩层的稳定，即注重一定范围内的数层岩层的整体稳定，巷道如此易冒落的顶板，采场亦如此。本文仅就煤帮与顶板的稳定性做出分析，根据煤壁片帮和顶板冒落发生的先后顺序可分为煤壁先片帮和顶板先冒落。所示。煤壁片帮后，滑落煤体涌向工作面王庄煤矿8101大采高工作面为研究背景，原先与滑落煤体接触的顶板呈悬露状态，顶板悬露长度及端面距加大，煤壁对其支撑作用减小，顶板弯曲下沉变形增大，支架载荷成倍增加。当这一不利现象持续恶化，顶板悬露面积达到极限折断破碎，或者顶板载荷由煤壁承载的越来越多至其再次片帮滑落，如此循环反复持续，采场人员及设备安全必将难以保证。采场先出现压剪式片帮示意若先出现的是顶板冒落，以散体冒落为例，如图所示。顶板破碎成松散介质，其力学性质与破碎前相比大为改变，承载能力下降，体积持续成倍增大，逐渐从支架间隙冒落。顶板岩层局部破碎或少飞等：大采高采场煤壁片帮和顶板冒落相关性研究第23数几层破碎，释放内部变形能，引起围压应力的再次（或多次）重新分布以致相邻岩层破碎冒落甚至断裂。破碎岩块冒落后，支架与上覆更远处岩层之间失去了力的传递介质，支架对顶板的控制作用难以发挥，工作面将处于无支护或者低支护力状况，煤壁再无任何外界支撑物存在，载荷激增，煤壁片帮必然不期而至。
采场先出现散体冒落示意综上所述，煤帮或顶板任何一方失稳，必然波及另一方。同样，煤帮或顶板的暂时稳定也不代表长期稳定，任何一方的不稳定必然会传递给另一方，引起采场围岩结构的整体垮塌甚至带给作业人员巨大人身危险。所以，在支架护顶和护帮操作中，必须保证每一环节都扎实有效。现场统计结果从现场实际情况来看，工作面并未发生深度较大的明显片帮。在滚筒割煤过后，三级护帮板相继打出，至滚筒下一次过来期间，常有小块煤从护帮板中间滑落。护帮板再次打开后，通常会有不足1的片状煤剥落。顶板较破碎，支架间隙常有岩块冒落，移架时冒落严重，但未发生大块石头涌向工作 面。相比之下，煤壁管理要好于顶板管理，究其原因 是三级护帮装置的优越性及支架操作、管理工作还 需进一步提升。 本文认为后续可尝试的措施：进一步加强液 压支架操作、管理方面的工作，保证支架的初撑力和 工作阻力，尽量使该设备的优越性最大化发挥；顶 板破碎时可采用带压（或降压）移架；将工作面尽 量布置成俯斜开采，有利于缓解煤壁片帮问题。此 外，不建议工作面采用降低采高的办法来保证采场 围岩的稳定，否则将失去上马大采高开采技术的重 要意义。 根据煤壁片帮和顶板冒落的机理不同，分别将煤壁片帮和顶板冒落分为四类、两类。
采高的加大，工作面煤壁片帮的深度和滑落煤量均成倍增加，给工作面人员和设备留下安全 隐患。 基于围岩整体性的客观事实，分别以煤壁先片帮和顶板先冒落为例详细探讨其内在相关性。 8101工作面在采用三级护帮装置和高性 能液压支架前提下，很好地控制了煤帮和顶板，但仍 需加强支架管理和尝试其他措施争取更好的维护效 果，为下一个大采高工作面总结经验。 参考文献： 大采高采场围岩控制理论及应用研究［M］.北京：煤炭工业出版社，2006. 李建国，田曲珍，杨双锁.河滩沟煤矿综放面煤壁片帮 机理及控制途径［J］. 煤炭科学技术，2003（12）：73 宋朝部.大断面煤巷围岩变形破坏规律及锚固技术研 代矿业，2003（6）：124-125. ［责任编辑：李月成 （上接第3页）一定距离后，工作面上“三带”高度分 布趋于稳定，垮落带高度为16 左右，裂缝带高度达50 m，裂缝为发育至地表。 工作面顶板最大下沉量达到6m。主关键 层破断后形成三铰拱式平衡结构，有效地控制了上 覆岩层的下沉。 参考文献： 王家臣.厚煤层开采理论与技术［M］. 北京：冶金工业 出版社，2009. 大采高采场覆岩结构特征及运动规律研究［J］. 煤炭学报，2004王庄煤矿8101大采高工作面为研究背景，29（1）：7 -11. 采矿工程相似材料模拟技术的发展及问题［J］. 煤炭技术，2008，27（1）：1 -2. 矿山压力与岩层控制［M］.徐州：中国 矿业大学出版社，2003. 刘秀英，张永波.采空区覆岩移动规律的相似模拟实验 研究［J］. 太原理工大学学报，2004，35（1）：29 -31. 征的相似模拟实验及分析［J］.矿业安全与环保，2013， 40（3）：17 -20. ［责任编辑：李月成］ 飞等：大采高采场煤壁片帮和顶板冒落相关性研究第23