軟煤大采高綜采工作面防治片幫冒頂研究

趙保平

（山西煤炭運銷集團長治有限公司,山西 長治 047100）

0 引言

我國從1978年起，引進德國大采高支架及相應的采煤運輸設備，同時國產大采高液壓支架和采煤機相繼研制。經過30年的實踐，目前已取得明顯進展并具有降低掘進率、緩解采掘接替緊張、簡化生產環節和防瓦斯防火防塵等明顯技術優勢。但對于煤層普氏系數在0.6以下的軟巖煤層而言，在回采期間常出現工作面煤壁片幫和冒頂現象，嚴重制約工作面正常推進?；谠摲N情況，筆者開展軟煤機理研究，并在此基礎上提出防治措施，以保證礦井安全生產。

1 工作面概況

山西長治王莊煤業有限責任公司（以下簡稱王莊煤業），隸屬山西煤炭運銷集團有限公司，2009年改擴建，核定生產能力為240萬噸/年，現開采3#煤層，位于山西組中下部，上距K8砂巖34.90～43.67 m,平均35.21 m；下距K7砂巖3.69～8.54 m，平均6.66 m；下距15#煤層101.51～119.65 m，平均109.83 m。煤厚4.20～6.07 m，平均5.08 m，傾角4～6°，煤的容重為1.45 t/m3，結構簡單，含一層夾矸，厚度約0.1 m，距煤層底板1.35～1.4 m，煤層厚度穩定，全井田可采，為穩定型煤層。煤層頂板多為中、細粒砂巖，局部為泥巖、砂質泥巖；底板多為泥巖、砂質泥巖、局部為細砂巖。煤層具有煤塵爆炸危險，屬不易自燃煤層。

礦井首采大采高3501工作面，煤層厚度4.20～6.07 m，平均5.08 m，平均采高5.08 m，煤層普氏硬度系數f<0.6，近水平煤層，埋深280～360 m，工作面走向長度1408 m，傾斜長度300 m。

2 大采高工作面煤壁片幫冒頂機理數值模擬分析

2.1 模型尺寸及邊界條件

模型的建立是依據王莊煤業3501綜采工作面所處的實際工程地質條件，模型尺寸取工作面長300m，高60m，寬150m，假定模型兩側水平位移近似于0。同時假定模型的底邊的水平和豎直位移都近似于0，模型的頂部加載以豎直的地應力，模型可模擬王莊煤業3501工作面煤層開采后采場礦山壓力分布及煤壁和頂底板巖層的塑性片幫等情況，以便定性的分析大采高工作面煤壁片幫機理。

圖1 王莊3#煤層開采模擬模型圖

2.2 模型力學參數

模擬過程考慮煤體、頂底板巖層的實際性質，工作面采高、工作面長度、煤層埋深、支架工作阻力等影響因素。根據工作面附近鉆孔地層情況：3501工作面煤層埋深340m，平均采高5.08m，煤層為近水平煤層，模擬的煤層頂底板巖性、厚度及巖石力學參數如表1所列。

表1 3#煤層頂底板賦存特征與力學參數

2.3 煤壁片幫冒頂機理模擬分析

按照圖1中的計算模型，賦予模型與王莊煤業3501綜采工作面相近似的工程概況條件及相應的煤巖層巖石力學參數，通過模型的模擬計算，得出工作面煤壁的及地頂板巖層的受力情況以及煤壁塑性區擴展變化情況，分析3501大采高工作面的片幫冒頂機理。

圖2 3501綜采工作面煤壁及頂底板塑性區分布圖

隨著工作面的推進，煤壁由開采前的三維應力狀態改變為開采后的二維應力狀態或者單向應力狀態，煤壁在采場超前支撐壓力作用下，工作面附近的煤壁出現塑性變形形成塑性破碎區（如圖2所示），從而導致煤壁片幫。煤壁片幫的寬度、深度和形狀不是完全相同的，但片幫冒頂的區域一定是出現在塑性區內。

圖3 3501綜采工作面煤壁及頂底板支承應力分布云圖

由圖3支承應力分布云圖中可以得出：煤壁中支承應力峰值出現在煤壁中央距煤壁約3.5m處，且最大支承應力峰值為20.455MPa，為原巖應力的2.4倍，根據礦山壓力理論，煤壁中的支承應力峰值點為煤體的彈性區和塑性區的分界點，峰值點以內為煤體的塑性破壞區，以外為煤體的彈性變形區。煤壁附近塑性區的煤體處于二維應力或者單向應力狀態，其支承能力大大降低，當煤體所承受的支承壓力超過煤體的強度極限時，往往會引起煤壁外鼓量的增加，從而導致煤壁的片幫冒頂，王莊煤業3501工作面實測的片幫冒頂形式如圖4所示。

由圖4所示，王莊煤業3501大采高工作面煤壁片幫的形式及規律基本符合彈性力學摩爾強度理論：煤壁的片幫是因為其內部產生剪切力，當某一剪切面上的剪切力大于煤體所允許的剪切力時，煤體就會沿著該剪切面發生剪切破壞。按照彈性力學理論分析可知，最大剪應力面的法向與最大主應力方向的夾角（為煤體的內摩擦角），因此多處煤壁片幫都是與水平面呈約45°夾角出現的剪切滑移而破壞片落。

3 片幫冒頂影響因素

大采高工作面引起片幫和冒頂的因素有很多，有自然因素，如：埋深、煤層厚度、煤質強度、煤的解理裂隙發育程度等；也有生產技術因素，如：支架支護強度、支架護幫板水平推力、割煤高度、截深、工作面長度、工作面推進速度和工作面俯（仰）斜開采角度等。在特定的煤層地質條件下，生產技術因素往往是我們研究煤壁與端面頂板穩定性的重點[1-3]。

4 防片幫冒頂技術措施

大采高工作面煤壁片幫和端面冒頂是兩個相互影響的過程，煤壁發生片幫，使支架與煤壁間的無支護空間加大，從而誘發端面冒頂，而端面冒頂也增加了煤壁無水平約束高度，反過來又加劇了煤壁片幫，造成惡性循環。同時，片幫和冒頂的發生也惡化了支架與圍巖的相互作用關系，使煤壁和端面頂煤穩定性維護更加困難。因此大采高開采煤壁穩定性研究必須考慮到片幫和冒頂的這種相互影響關系。在影響煤壁和端面頂煤穩定性的眾多因素中，有些是不可改變的，比如自然因素，但有些是可以加以控制的，如果能有效的控制這些影響因素，則可控制或減小片幫和冒頂事故，保證工作面正常生產。

針對以上片幫機理因素的分析[4-6]，提出了大采高工作面煤壁穩定性控制措施：

4.1 大采高綜采工藝參數優化

從綜采工藝參數優化方面，對提高大采高工作面煤壁穩定性建議如下：

（1）提高支架初撐力和支護阻力

我們先后在浙江天目山、大盤山、臺州大神仙居、溫州雁蕩山、溫州烏巖嶺、溫州龍灣潭、天臺山、嵊泗列島和臺灣宜蘭縣、南投縣、新北市等地，采集到缺齒蓑蘚11個地理居群(圖1)的106份樣本。11個居群的地理信息詳見表1。從每個地理居群中隨機選取位于4～9個不同樹干上的蘚叢，各樹間的距離在50 m以上，以避免重復取樣。將各蘚叢中分出的枝條作為不同個體，放入裝有變色硅膠的封口袋中，帶回實驗室冷凍保存、備用。憑證標本保存于上海師范大學標本館(SHNU)。

1）加強支護質量監測。及時對支架進行二次注液，保證工作面支架具有足夠的初撐力和支護阻力，減小煤幫壓力，以提高支架－圍巖體系的整體剛度，確保良好的支架位態。

2） 正確操作支架。在移架伸柱后，支架工應觀察支架間顯示屏中的初撐力讀數或立柱上壓力表讀數，保證足夠的操作時間，達到額定的初撐力或采用電液閥控制，保證支架的初撐力。充分利用支架的初撐力，及時有效地控制頂板下沉，控制煤壁片幫。

（2）控制采高

正常條件下，嚴格控制割煤高度，過斷層、褶曲等地質構造破碎帶時，應適當降低采高。

（3）減小空頂距

1） 及時支護新暴露出來的頂板。采用先移架后推溜的作業方式，實踐表明，滯后采煤機組1～2架，馬上移架支護頂板，及時打出防片幫板，對防治片幫，可以收到良好效果。當移架速度跟不上采煤機速度時，適當的減緩割煤速度或停機移架，移架后及時將伸縮梁打開。

2） 盡量保證截割出來的頂板平整。

（4）改善并合理使用護幫裝置

1）采用三級護幫裝置，加大護幫面積。

2） 割煤時由專人超前采煤機前滾筒1/2～1個支架收回護幫板，待前滾筒過后伸出護頂，移架時收回護幫板，移架后伸出護幫，在時間上和空間上形成對煤幫和頂板的不間斷支護。

（5）加快工作面推進速度

1） 盡量加快工作面推進速度，減小每循環的頂板下沉總量，控制煤壁片幫。

2） 盡量減小各種不正常事故導致的工作面停產，當出現事故時要及時處理，盡可能的縮短停產時間。

3） 工作面停產大修時，要盡量在煤層較薄、采高較低、頂板條件較好的地段進行，并用單體支柱加強支護，以防止片幫擴大，造成冒頂。

圖4 實測王莊煤業3501大采高工作面煤壁破壞形式

除了上述行之有效的措施可以防治或減少煤壁片幫和冒頂外，提高采煤機牽引速度，帶壓拉架，加固煤壁等措施對于防止片幫較為有效。

4.2 大采高工作面注漿加固技術

根據國內外大采高工作面開采實踐，5.0 m大采高工作面開采時，除工作面煤壁的穩定性較差外，松軟煤層條件下工作面上下端頭過渡區頂煤難維護，上覆頂板較為破碎時，上覆頂板亦不易維護，如果處理不當，極易引發大面積的片幫冒頂現象。因此在工作面煤壁嚴重片幫、端頭過渡區頂煤難維護、工作面頂板較破碎時，可以分別針對該區域進行注漿加固，以保證工作面的安全高效回采。

5 結論

通過對大采高工作面片幫冒頂機理及影響因素分析，給出了軟煤大采高工作面防片幫冒頂的具體措施：

（1）大采高綜采工藝參數優化，提高支架初撐力和支護阻力，減小空頂距，合理使用護幫裝置，加快工作面推進速度，加強工作面生產技術管理。

（2）煤壁注漿加固。

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