悬移支架机采放顶煤工作面防治片帮关键技术研究

王志浩　贺威威

（郑州煤炭工业〈集团〉有限责任公司杨河煤业有限公司，河南 郑州 452382）

【摘　要】42051机采工作面煤壁的片帮主要与煤体的顶板压力、抗剪强度、煤体性质有关，增大支架的工作阻力以减缓煤壁压力或进行煤壁注水以提高煤体抗剪强度是防止煤壁片帮主要途径，使煤层片帮和顶煤脱落现象得到有效控制，保证了工作面的正常推进，减少了因处理片帮和顶煤脱落而带来的不安全隐患，收到了较好的效果。

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关键词 “三软”煤层；煤层片帮；防治片帮技术

郑州矿区回采的煤层为“三软”煤层，煤层松软破碎、易片易掉，杨河煤业42051是采用整体顶梁悬移支架配合采煤机机采工艺，采煤机割煤后煤壁暴露面积较大，工作面切巷较长，回采进度慢，同时受到老空老巷的影响，煤壁片帮问题是制约安全生产的关键因素，因此，治理煤壁片帮问题成为该工作面急需解决的问题。

1　松软煤层煤壁片帮类型及分析

煤壁片帮主要是由于各向受力不均引起的煤壁破坏现象。煤壁在自重和顶板压力作用下，主要表现出拉裂破坏和剪切破坏两种破坏形式。

1.1　煤壁拉裂破坏

煤壁拉裂破坏较多的发生在脆性硬煤中，该类煤层煤壁容许的形变量较小。该类煤壁片帮破坏的原因主要是由于在顶板压力作用下，煤壁内产生了横向拉应力，而横向拉应力不能通过煤体的变形释放或者缓解，因此，当其大于煤体的抗拉强度时，煤壁就产生拉裂破坏，从而产生煤壁片帮。

煤壁拉裂破坏的破坏准则为：

Rt≤2Kp／πH （1）

式中：Rt——为煤体抗拉强度；

K——为应力修正系数；

p——为煤壁所受压力；

H——为煤壁高度。

1.2　煤壁剪切破坏

对于软煤层而言，在煤体自重及顶板压力作用下，在煤壁内煤体也会产生横向的拉应力，但是软煤层的横向及蠕动变形会释放或缓解由于压缩而产生的横向拉应力，最终由于煤壁内的剪应力大于抗剪强度而发生剪切滑动破坏，实际的剪切滑动面大部分为曲面，假如煤壁高度和片帮高度不大，将其简化为平面（如图1所示），按照莫尔强度理论及破坏准则可表述为沿着剪切面的抗剪力D减去该面上的滑动力S；若该值小于O，则煤壁发生剪切破坏，安全余量G为：

G=D-S=Chsecα+Ntanφ-S≤0 （2）

式中：C——煤体粘聚力；

φ——煤体内摩擦角；

N——为剪切面上的法向力；

S——为剪切面上的剪力；

h——为剪切面破坏高度；

q——为顶板载荷集度；

α——为剪切面与煤壁的夹角。

上述煤壁片帮机理分析表明，无论是煤壁的拉裂破坏还是剪切破坏，主要与煤体的顶板压力、抗剪强度、煤体的物理力学性质有关。因此，减小煤壁所受的顶板压力、改变煤体的物理力学性质和提高煤体的抗剪强度，将是解决煤壁片帮问题的主要技术途径。

1.3　煤壁挠度的计算

为简化分析，计算煤壁在顶板压力作用下的挠度可作如下假设：（1）不考虑煤壁的剪切变形；（2）不考虑煤壁垂直方向上的压缩变形；（3）不考虑煤壁的重力影响；（4）忽略水平作用下对煤壁片帮的影响。

假设压杆处于临界平衡状态，根据小挠度微分方程以及端部约束条件确定煤壁的挠度曲线，求得煤壁在顶板压力作用下的挠度最大值，即煤壁容易失稳的位置。煤壁挠度计算力学分析模型见图2。

图（a）为一端固定另一端弹性支承的煤壁，设固定端力矩为M0，采高为h，当弹簧刚度较大时，杆体端部不发生侧向位移。根据杆件的整体平衡条件，两端有水平反力M0/h。取x断面以下部分为分离体如图（c），以x截面的形心为中心建立力矩平衡方程得：

当sin（4.49x/h）=1时，ω取最大值，即4.49x/h=2kπ+π/2（k为整数），解得：

x=（1.39k+0.35）h

考虑实际情况，取x=0.5h，此时ω的最大值为1.37M0/Fp。

上述煤壁片帮的力学分析表明，杨河煤业42051工作面煤壁主要发生的是剪切破坏，片帮主要部位是煤壁的中部。但无论是煤壁的拉裂破坏还是剪切破坏，煤壁最大挠度点在距底板0.65倍处。可以看出，煤壁的片帮主要与煤体的顶板压力、抗剪强度、煤体性质有关，增大支架的工作阻力（或放顶煤开采使得承压远离煤壁）以减缓煤壁压力或进行煤壁注水以提高煤体抗剪强度是防止煤壁片帮主要途径。

2　煤壁防治片帮技术

2.1　提高支架工作阻力

对于放顶煤开采，支架除了做到对顶煤的全封闭外，支架合理的工作阻力既要能够支承顶板、抵抗顶板来压，又要能够缓解煤壁压力，减缓甚至消除煤壁片帮和断面漏冒。从支撑顶板的要求出发，所需要的支架工作阻力并不大，但是从缓解煤壁的片帮而言，高工作阻力可以减小煤壁处压力，有利于缓解煤壁片帮。

对于工作面支架的工作阻力的求解，可以对A点取矩，则可得顶板压力与支架工作阻力的关系式为：

pLP+RLS+TtanφL-Th-qL2/2-γhL2/2=0（7）

式中：R——支架工作阻力；

LP——煤壁达到顶板破断电A的距离；

LS——支架支承合力作用点到顶板破断点A的距离；

L——老顶破断岩块的长度；

q——老顶上部岩层的载荷；

T——老顶破断岩块的水平力。

式（7）表面：煤壁处的压力随着支架工作阻力R的增大而减小，因此提高支架工作阻力，有利于减缓煤壁的压力，小的工作阻力将会导致煤壁片帮的面积和深度的迅速扩大。

2.2　煤壁浅孔注水技术

由于“三软”煤层具有强度低，易破碎特点，因此选择合适的注水压力对煤壁的养护，透水半径，注水效果影响较大，通过注水实验注水压力超过5MPa，煤壁由于注水压力过大易造成人为的片帮，低于3 MPa扩散半径太小，注水时间长，注水效果差，因此注水压力控制在3~5MPa之间。

2.3　其他煤壁片帮防治技术

（1）加强支架的支护质量，确保所有支架均达到初撑力，尤其是来压前，要将支架调到最佳状态，使悬液支架的顶梁平行，并保证接顶质量，确保支架平、严、实、安全阀灵敏可靠。

（2）采取带压拉架方式进行支架拉移，拉移时，要有专人观察托梁、上挡矸板的情况，如有意外立即停止，待处理正常后再行操作；移架后支架的前柱应与顶梁垂直，后柱前倾2～3°，保证支护有力。

（3）带压拉架技术。

（4）加快工作面推进速度

2.4　取得的效果

（1）提高了开机率，改进后大大减少停机支护时间，采煤机开机率由原来的19%，提高到30.5%，提高了经济效益。节约了大量的支护材料，降低了吨煤成本。

（2）通过改进采煤工艺、调整液压支架的工作状态，采用综合防治煤壁片帮技术有效防治了煤壁片帮严重现象，使对煤层片帮的治理由被动支护变为主动防护，使煤层片帮和顶煤脱落现象得到有效控制，保证了工作面的正常推进，减少了因处理片帮和顶煤脱落而带来的不安全隐患，收到了较好的效果。

［责任编辑：刘展］