中国神华国能（神东电力）集团三道沟煤矿陕西榆林719407
摘要：大采高综采工作面易发生片帮，如果不及时采取有效措施，将严重影响工作面正常生产。据统计，大采高综采工作面支架围岩事故总量是一般综采工作面的数倍。因此，分析煤壁塑性变形条件下的破坏机理，并从理论上对片帮时效性进行解释，才能更加深入地研究煤壁片帮的内在机理，这也是煤壁片帮控制急需解决的关键技术问题。本文分析了大采高综采工作面片帮加剧机理及防治措施。
关键词：大采高综采工作面；片帮加剧机理；防治措施；
前言：当采高从4m左右提高到6.5m（8m神东矿区）以上时，煤壁片帮有可能出现质的变化，片帮的深度和频率可能大幅增加，从而导致冒顶加重，严重制约工作面安全高效生产。对不同采高下的工作面围岩关系进行数值模拟试验，探索不同采高下的临界片帮高度，并提出控制片帮措施。
1概况
大采高综采是指使用综合机械化开采的方法一次开采全厚3．5m以上的长壁采煤法。实践表明：与分层综采相比，大采高综采具有生产能力大、单产高、巷道布置简单、工序简单、巷道掘进量和维护量小、回采工效和采出率高、吨煤成本低、顶板易管理或（全部垮落式顶板管理）的优点；与综放开采相比，具有采出率高、含矸率低、煤尘小等优点。可见，大采高综采是一种值得在厚煤层开采中推广的高产高效的采煤技术。但由于大采高综采工作面采高大、覆岩破坏高度大、矿压显现剧烈，煤壁稳定性差、控制困难，已成为影响大采高综采技术推广应用的基本问题之一。
2大采高综采工作面片帮危害及机理
2.1大采高综采工作面片帮危害
众所周知，煤壁片帮是煤体在矿山压力作用下，煤体破碎后滑塌下来的一种矿压显现现象。煤壁片帮对工作面正常生产产生严重的影响：影响职工的人身安全与正常生产的进行。人员在工作面工作或行走时容易被片帮煤砸伤。煤壁片帮后，造成支架前端至煤壁间的空顶面积扩大，如顶板破碎，不及时支护，在顶板压力的作用下，片帮处易发生冒顶。工作面发生片帮时，经常会产生大煤块堵住采煤机入煤口或转载机口的现象，影响采煤机运行和转载机的运行，一些大的煤块也会把工作面刮板输送机砸变形，给运输带来困难，造成停机，直接影响生产。大采高综采工作面由于采高大，容易产生片帮，给生产与安全带来不稳定因素，难以发挥大采高综采的高产高效。实践表明超前维护、割煤生产和设备检修等过程中若发生片帮均易发生事故。具体易发事故环节如下：超前维护期间顺槽处回、打单体或清理浮煤；割煤过程中处理电缆槽内大块煤、支架工跟机拉架、人员在架前行走；采煤机检修间人员进入溜槽内作业等。此外，工作面发生片帮回收处理作业时也易发生事故，影响生产与安全。因此，防治煤壁片帮是大采高综采必须解决的问题之一，只有弄清煤壁片帮机理，提出煤壁片帮防治合理化建议，才能从根本上控制煤壁片帮，发挥大采高综采的潜力。
2.2机理分析
一般而言，回采面前方煤壁所承载的支撑压力是引起片帮事故的直接因素，支撑压力的峰值也是煤壁弹性变形与塑性剪切破坏的临界值。当回采高度增大后，受支撑压力影响的范围也随之增大，煤壁中的煤体在高支撑压力的持续作用下，节理裂隙迅速发育，从而导致片帮的出现。通常不同地质状况下的煤壁片帮形式有所差别，大体可划分为剪切破坏与拉裂破坏两类，其中剪切破坏多出现在软岩煤层中，拉裂破坏多出现于较为坚硬的煤层。对于软岩来说，其许用应变较大，这使得覆岩垂直应力作用下生成于煤壁内的水平拉力可由煤体的横向变形而得以释放，从而不会引起拉裂破坏。但剪切应力则难以释放，一旦其超出煤体抗剪临界值便会导致剪切破坏。依照库仑－摩尔准则，当沿煤壁剪切面的抗剪切力Ｄ低于剪切面上的滑动力Ｓ时，煤壁便会出现剪切破坏，其破坏准则见式所示。，式中：Ｇ为安全余量，Ｎ；Ｄ为抗剪切力，Ｎ；Ｓ为剪切力，Ｎ；Ｃ为煤体粘聚力，Ｎ；α为剪切破坏角，°，α＝４５°；Ｎ为剪切面法向应力，Ｎ；φ为内摩擦角，°；ｈ为剪切破坏高度，ｍ。煤体的内摩擦角对煤壁片帮的影响最大，所以在煤层硬度较小、煤质疏松的工作面进行大采高开采时，煤壁片帮问题会更加难以控制。其次为采高的影响，采高越大工作面片帮越难控制。
2.3大采高综采工作面片帮数值模拟
根据神东地区特厚煤层地质条件，对不同采高条件下开采的工作面围岩关系进行数值模拟，得出工作面前方煤壁剪应力变化如下图所示。通过数值模拟可得出以下结论。一是当采高达到3m以上时，开始出现片帮趋势，当采高达到5m时，有出现长度大于1m片帮的趋势，当采高达到6.8m时，煤壁片帮的现象更加明显，上述现象与现场观测情况相符。二是随着采高的增加，工作面前方上部岩体内的剪应力增加迅速，结果导致工作面前方空顶处顶板位移增加，难以管理。同时顶板对煤壁的作用力增加，进一步增加了工作面片帮冒顶的趋势。三是由于大采高工作面片帮冒顶是随机发生的，与工作面煤层地质条件、裂隙发育程度、设备状态等因素有关，从模拟的结果可以看出，在工作面的中部和上下端头处发生片帮冒顶的概率较大。
3实例分析
3.1工作面基本情况
某矿煤层厚度稳定，煤厚平均6．3m，全煤含夹矸5层，总厚度0．78m，其中上分层所含夹矸局部有变厚现象，夹矸最大厚度可达0．4m。其煤质低磷、低硫、中灰、具粘性，高发热量，为优质动力用煤。
3.2大采高煤壁片帮统计
该大采高工作面采用倾斜长壁、后退式综合机械化大采高一次采全高采煤方法。在回采期间，大采高工作面的片帮情况较为频繁，长度占工作面长度的49．2%，因采高因素及工作面地质条件影响，片帮情况出现一些分段现象，即片帮多发生于有地质构造处及工作面中下部。当矿压来临时，片帮现象更为严重。从观察数据也可以看出，片帮的深度和高度基本符合正态分布，即其中于某一个区间之内，通过观察和统计可以对片帮情况的分析和防治有一个较好的现场和数据支持。
3.3片帮因素模拟
为了较好地对煤墙片帮情况进行分析与防治，需要针对不同采高发生煤壁片帮进行分析与研究。当采高增大时，支架的支承压力根据不同的采高形成不同的压力趋势，在选择的最小工况点，超前支承压力位置为4.5m，在选择的最大工况点，超前支承压力峰值位置为8.5m。中间的变化趋势为由小到大，又从大到小的过程。在选择的工况点逐渐增加采高后，煤壁的最大水平位移和工作面顶板的下沉量都有增加的趋势。不同的支护强度有着不同的端面顶板下沉量，当增加支护强度时，下沉量呈现减小趋势，当水平压力增大时，则水平方面煤墙位移量减少。当支护的强度增加时，超前支承压力峰值位置和煤墙之间的距离会减少，也就是说煤体塑性破坏深度减小了，但是幅度减小的不大。但在控制煤墙水平位移和顶板下沉方向的效果较为明显，可以较好地控制煤墙的片帮与顶板下沉以及漏顶事故的发生。
3.4防治措施
一是生产部门加大工作面地质预测预报工作，通过实时预测预报来细化工作面内的煤层及顶底板变化情况，并根据结果来评估地质构造的类型、大小、影响范围及影响程度，并及时采取措施把可能出现的问题控制在可控范围之内，保证工作面的正常生产。二是及时注浆加固和充填。当发生片帮及顶板冒落时，应及时用加固材料进行顶板及煤墙的维护，使煤墙形成有机整体，增强抗破坏程度，以防止脆弱区域的进一步破坏加强。在观察的基础上，及时对可能发生冒落和片帮的地方采取加固措施，保证相关煤岩层理、节理粘结为整体，增加抗破坏能力。液控压力采集系统，实现实时矿压监测，并分析矿压数据，总结周期来压规律，避免周期来压应力集中造成工作面顶板破碎，造成顶板大面积冒落。三是加强工作面质量标准化管理，在生产期间要保证工作面的质量，按照“三直、两平、一净、两畅通”的标准进行检查与维护，当发生片帮或者顶板破碎的时候，应及时进行超前架护顶，以减少空顶情况发生，及时控制。四是控制采高。在进行生产时，要根据现场情况，及时控制采高，以增加煤墙的稳定程度。在现场实测结果发现，随着采高的增加，片帮程度明显增大，适当地降低采高，是有利于维护煤墙稳定的。当工作面片帮现象严重时，可采取适当降低工作面采高，以减少煤壁片帮的深度及宽度。特别是当煤墙易碎，经过断层等地质构造时，需要根据现场情况提前进行降低采高措施。五是工作面片帮处理。工作面生产期间，一般情况下不得安排专人在支架大脚前清理片帮煤与浮煤，应集中安排在检修时间并避开周期来压，待煤帮稳定后方可进入架前清理。清理片帮煤时，必须清理到溜槽内，严禁遗留到采空区。生产期间确实因为支架前片帮煤与浮煤堆积严重，影响安全生产的，可以安排进行清理，但必须停下采煤机，打出护帮板，闭锁支架和刮板机，在跟班队长的监护下进行清理。对于出现裂隙而撬不下的，班长和跟班队长必须组织人员打帮锚杆并挂帮网进行加固，或设警戒线严禁人员进入片帮煤影响区域。
结束语：
大采高工作面煤壁片帮作为开采中的多发事故，极大的影响了煤炭生产的高产高效和安全有序进行，已成为制约煤炭生产持续稳定开展的重要因素之一。根据采高、断层、支护强度与生产实践积累了较为丰富的经验，并提出了综合防片帮方案，为大采高采煤工艺在其它工作面以及其它矿井的使用提供了有益参考。
参考文献：
[1]李春生．大采高综放工作面煤壁片帮影响因素模拟研究[Ｊ]．煤炭与化工，２０１５（０７）：６８－７０．
[2]秦仁赞．大采高综采工作面顶帮防治技术研究[Ｊ]．煤炭技术，２０１５（１０）：３４－３６．