綜放工作面漏頂、片幫機理分析及防治措施研究

韓 勤

（山西蘭花科技創業股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

伯方煤礦采用綜采放頂煤全部垮落法采煤工藝，現采3#煤層，煤層平均厚度5.5m，割煤高度2.8m，放煤高度2.7m，采放比1:0.96，采用一面兩巷U型布置方式，支護采用錨網索支護，煤層普氏系數1～1.5。從歷年實際生產情況來看，礦井煤層松軟，裂隙發育，片幫、冒頂時有發生，造成工作面推進慢，安全系數差，尤其孤島工作面生產更為嚴重，直接影響工作面安全、高效生產。對此，探究綜放工作面漏頂現象及片幫現象力學機理，并研究一系列行之有效的措施來防治這些現象也顯得越來越重要。

1 漏頂現象力學分析

1.1 開采煤層狀態分區

采用放頂煤開采方式進行采煤作業時，會改變煤體的初始穩定平衡應力狀態，使放頂煤工作面各處煤體具有不同的應力狀態與物性狀態。通常情況下，由回采工作面起，煤體從近到遠所處的狀態區域依次為松動區、破碎區、破裂區、塑性區以及彈性區，如圖1所示。一般隨煤層所在應力場的不同與其物理力學性質的不同，這也會使煤壁及端面頂煤具備不同的物性狀態。通常經綜放回采工藝開采后的工作面四周煤壁和端面頂煤大多會處于松動、破碎甚至破裂狀態[1]。

圖1 煤層物理狀態分析

1.2 工作面漏頂的力學機理

通過上述分析可知，采用放頂煤工藝進行采煤作業時，會嚴重破壞工作面四周的煤壁與端面頂煤，嚴重削弱工作面煤巖體自身承載力。在實際生產中，在回采工作面位置特殊性的影響下及生產工藝條件局限性的影響下，時常很難借助支護措施來給煤壁及相關端面頂煤進一步施加有效圍壓，無法讓煤層處于三向受壓狀態。在回采作業及放頂擾動的影響下，便極易出現端面頂煤冒落及工作面煤壁片幫現象，對于端面頂煤的漏冒主要包括兩種情況，具體為：端面的關鍵塊體出現失穩發生垮落現象與破碎成松散狀態的煤體出現直接冒落現象。

如果在放頂煤作業中，工作面處的端面頂煤大多破裂為較大塊體，頂煤所具有的力學特征就會與塊體力學原理相符，若此時有部分關鍵塊體出現在端面頂煤塊體中，頂煤就易出現冒落現象，其中這些關鍵塊體的形狀情況，大小情況會對端面頂煤的冒落高度及實際冒落范圍大小產生直接影響，具體可如下圖2所示。而對于端面頂煤而言，其關鍵塊體是否能出現主要受頂煤中水平擠壓力、煤層內摩擦角等因素的影響。端面頂煤為破碎狀態時，其力學特征會與散體介質相似，當受到足夠水平擠壓力的擠壓后，因受重力作用的影響端面下部的煤體便會出現冒落現象，時常會產生如下圖3所示的平衡拱結構。參照散體介質的相關力學原理我們可知，煤體的性質及端面空頂距的大小等都會對冒落拱的高度產生重要影響[2]。

圖2 端面關鍵塊體結構失穩冒落圖

圖3 端面散體狀冒落圖

2 煤壁片幫力學機制

因放頂煤工作面四周煤壁與端面頂煤在實際生產作業中，都處于一種強度破壞狀，很多煤體自身承載能力會顯著下降，甚至部分煤體已根本沒有承載能力，加之在所處特殊位置的影響下及受相關生產工藝條件的影響，給工作面煤壁及相關端面頂煤施加有效的圍壓較難，很難讓其為三向受壓狀，這樣因受采動影響及放頂煤作業擾動影響，工作面煤壁時常會出現各種各樣的片幫垮落現象，常見的形式主要有壓剪式片幫、劈裂式片幫、滑落式片幫或者橫拱式片幫等。下面就詳細分析一下這些片幫形式的具體力學機理。

2.1 壓剪式片幫力學機理

當工作面煤壁處的煤體，因受放頂煤采動影響出現小程度破碎時，這些煤體仍會有些殘余強度，勉強可以維持原狀，而當有較大支承壓力作用于這部分煤體時，這些煤體可能會出現剪切滑移式片幫，具體如下圖4所示。若用β代表煤壁與剪切滑移面間角度，用φ代表回采煤體內摩擦角。依據庫侖—摩爾強度理論，可用下式來計算煤壁與剪切滑移面間角度關系[3]。

若用M來代表采高，△α表示最大片幫深度，則：

圖4 煤壁發生壓剪、滑落式片幫示意圖

2.2 重力滑落式片幫力學機制

若因受采動影響，位于煤壁處的煤體出現嚴重破碎現象，這些煤體便會幾乎失去殘余強度，這時在煤壁自身重力的影響下，其時常會出現滑落式片幫現象，通常最終會變成像圖4中所示的散體介質自然安息狀態存在。借助散體介質理論進行深入分析，我們可得出：滑落安息角a通常會等同于煤體內摩擦角φ，至于煤壁的最大片幫深度，可應用下式來進行計算：

2.3 劈裂式片幫力學機制

有部分煤體未完全遭破壞，但裂隙發育程度較高，且在結構上垂直于層理，這部分煤體時常會因被揭露，使其橫向約束作用丟失，發展成一種平面雙向應力態，當有支承壓力作用于煤壁時，通常就會發生劈裂式片幫垮落現象，此現象具體如下圖5所示。在此現象中，有很多因素都會影響煤壁實際片幫深度。這些因素主要包括：煤體強度因素、采高因素、裂隙分布因素以及支承壓力因素等，煤壁之所以會發生劈裂片幫通常都是這些因素綜合作用的結果[4]。

圖5 煤壁劈裂式片幫示意圖

2.4 橫拱形片幫力學機理

依據工程巖體受圍壓擾動而發生破壞的原理可知，當回采煤體遭揭露后，通常會出現向外突然鼓出的形變現象，對于這種現象究其原因通常是因橫向膨脹力作用于煤體的結果。以普氏冒落拱理論為基礎，可知若放頂煤煤體已處于全部破碎狀，但所破碎的塊體較大時，在垂直層理的影響下，煤壁也時常會出現橫拱形片幫垮落，下圖6為該種垮落形式的片幫示意圖，若用M表示采高，f表示普氏系數，那么可按下式來計算最大片幫深度：

圖6 橫拱形片幫示意圖

3 防治綜放工作面漏頂、片幫的措施

3.1 力學方面的措施

經上述分析，可知綜放工作面出現端面頂煤漏冒及發生煤壁片幫現象，其主要原因通常是因煤體出現了非連續性物性狀態與處于了無圍壓應力狀態。而采用放頂煤生產工藝進行采煤作業時，煤體的非連續性物性狀態在所難免。因此，在實際生產中，只能對煤壁及端面頂煤的實際受力狀況進行科學、合理的改善，才能減少甚至避免端面頂煤冒漏現象及煤壁片幫現象，在日常生產作業中，可從降低煤壁實際支撐壓力，讓無圍壓煤體范圍縮小，強化端面頂煤水平擠壓等多方面入手，來防治綜放工作面發生漏頂、片幫現象[5]。

3.2 操作技術方面的措施

通過深入研究防治綜放工作面端面頂煤漏冒現象及煤壁片幫現象的力學途徑，可采用下述兩種措施來進一步防治端面頂煤發生漏冒現象及煤壁片幫現象。

（1）一方面應科學、合理地布設工作面支架，讓其護幫作用、護頂能力及支撐潛力得到充分發揮；

（2）另一方面應做好工作面開采方案的設計工作，最好不要把工作面設計為仰斜開采，并應對回采煤體自由面與重力間的彼此空間關系進行科學、合理改善，以確保支架施加給頂煤的水平作用力足夠大。

具體可采取下列技術措施來更好的防治綜放工作面發生漏頂、片幫現象：

（1）可借助及時移架來讓端面頂煤的實際空頂距變小，同時縮小冒頂高度。

（2）最大限度的縮小空頂距，讓煤壁與支架科學布設，構成一有效的力學支撐體系。

（3）讓支架的前探梁及具有的護幫板起動應有的作用，需用到時應能及時伸出，來有效防止頂煤發生冒空現象，且應使頂煤具有足夠的水平作用力。

（4）通過進一步加大工作面支架的實際初撐力與工作阻力來使它們應有的支撐能力得到充分發揮，以降低煤壁內部的支承壓力，以降低煤壁片幫垮落的可能性。

（5）借助帶壓移架，并努力提升支架推移能力，以確保頂板可長期受到足夠的水平作用力與垂直作用力，并盡量減少多次對頂煤進行加、卸載。

（6）加強工作面頂板周期來壓預測預報，提前采取補強措施。

（7）針對冒頂區域較小可采用在支架前穿插木梁、鋼管等方式控制架前冒頂；對于大面積冒頂，可采用頂板超前化學注漿技術提高圍巖承載能力，效果顯著，但材料成本費相對較高，投入較大。

（8）同時要加強工作面交接班質量驗收管理，冒頂區域當班必須處理，不能遺留至下一班，形成惡性循環。

（9）保證工作面正規循環作業，減少停產時間，避免煤體長時間受壓，造成冒頂范圍擴大。

4 結語

在綜采放頂煤作業中，漏頂現象及片幫現象是影響工作面安全、高效生產的重要因素，而要想更好的防治綜放工作面的端面漏頂及煤壁片幫現象，必須深入了解工作面漏頂及片幫現象力學機理，并采取相應的措施進行應對。這樣才能做好綜放工作面的漏頂、片幫現象的防治工作，才能更好地保障綜放工作面的高產、高效。