大阳煤矿大仰角双斜综采工作面片帮冒顶分析及防治措施

文/李志强

一、工作面概况

山西兰花集团大阳煤矿3204大仰角双斜工作面东部为上河掌村（地面标高为+982～+1073m），本工作面东部相邻的3203、3302工作面已采，南面与北二采区三条大巷相连。3204工作面位于上河漳向斜的一翼总体上为单斜构造，工作面推至约320m时，整个工作面呈仰采趋势，坡度平均达到15°左右，局部可达 25°。

煤层赋存较稳定，工作面内有数条断层，其中有四条主要断层，对开采有一定影响。3号煤层伪顶为灰黑色泥岩，厚度0～0.5m。直接顶为灰黑色泥岩，局部有粗粉砂岩，中上部有煤层，平均厚度4.3m。老顶为灰色中砂岩，厚度平均为8.8m，硅钙质胶结直接顶。直接底为灰黑色泥岩或细粉砂岩，厚度平均为9.0m。老底是灰色石英砂岩，钙质胶结，分选中等，次棱角状颗粒，平均厚度2.25m。

二、工作面片帮内因

1.煤层物理性质

3号煤俗称“香煤”，主要以亮煤和镜煤为主，3号煤层厚度大且稳定，挥发分低，发热量高，灰分易选，灰熔点高（在1400℃以上），是优质无烟煤。3号煤煤层中含有2～3层夹矸，属于复杂结构煤层。煤质较为松软。煤岩物理性质如图1所示。

图1 3号煤物理性质

2.工作面煤壁前方压力

工作面煤层倾角对煤壁前方的压力分布有一定的影响，从3204工作面开始爬坡时倾角的日常观测数据可得，工作面平均倾角为15°左右。在生产过程中容易发生冒顶的地段82号架到122号架的实测平均倾角为24°。

实际观测证明，煤层倾角对回采工作面矿山压力显现的影响也很大。上覆岩层的重量为W，由于倾角α增大必然会使沿着层面的切向滑移为Wsinα增大。此时会影响煤壁前方的支撑力。

经分析，由于倾角增大，采空区顶板冒矸不能在原地留存，沿着底板滑移，从而改变了上覆岩层的运动规律。

在对工作面81号到122号架的日常观测分析，工作面推进58.5m分别为2月 6日、12日、18日、27 日，来压步距为 12～15m，持续天数2～3天。二月份工作面支架最大工作阻力为32MPa。

工作面推进56m，周期来压4次，分别为2月9日、14日、19日、25日，来压步距为 12～15m，持续天数2～3天。工作面支架最大工作阻力为32MPa。

通过分析得出：老顶周期来压和煤壁片帮冒顶有一定的影响，老顶来压应力增高的地方煤壁片帮程度越大。

3.工作面地质构造

3204工作面在开始仰采时，在综采工作面回风巷距开切眼283m工作面过正断层，此断层为走向断层，落差为1.5m，受到断层的次生构造的影响，工作面顶板比较破碎。工作面煤层中节理裂隙特别发育，节理主要为剪节理，是在压应力诱导产生的剪应力作用下形成的剪节理，它把工作面的岩层切割成菱形或棋盘状。落差≤20cm的小型走向正断层非常之多。工作面煤层在发生片帮时，首先会沿着这些节理面发生移动。所以，节理裂隙是造成煤壁片帮的主要原因。

三、工作面片帮冒顶机理

煤体在开采前处于原岩应力条件应力保持相对平衡，当煤体开采后煤壁上的应力遭到了破坏，水平应力迅速减小，由于开采引起的承压力作用垂直压力迅速增大，煤壁处于不稳定状态。在采高、煤层倾角、开采深度一定时，在煤壁的前方分为应力降低区、应力增高区和原岩应力区。根据摩尔—库伦强度理论岩体破坏准则表示为：

式中，c—煤体的粘聚力，δ—剪切面上的应力，φ—内摩擦角，当最大剪应力τmax≥[τ]时，煤体将发生破坏。

由于3号煤煤质比较松软，煤壁在自重和顶板压力作用下，主要表现为剪切式破坏。

松软煤层在煤体自重及顶板压力作用下，在煤壁产生横向的拉应力。由于煤壁的剪应力大于抗剪强度而发生剪切滑动破坏，实际的剪切滑动大部分为曲面，由于3204工作面采高为2.2m，片帮高度为2.1m；所以可以近似为平面。按照摩尔—库伦强度理论破坏准则：

式中，G为安全余量，D为抗剪力，S为滑动力，C为煤体粘聚力，h为剪切面破坏高度，N为剪切面上的法应力，α为剪切面与煤壁的夹角，φ为煤体内摩擦角，若安全余量G小于0时，则煤壁发生破坏。由摩尔—库伦理论得到α=45°-φ/2，N=（sinαtanα-cosα）tanα带入（1）式中得出煤体破坏准则：

式中顶板压力为P=qhtanα

滑动体自重为 W=（h2rtanα）/2

q为顶板载荷集度

r为煤体的容重

影响煤壁前方的支撑压力的因素还有塑性区宽度，应力集中系数。在前方支撑压力作用下，工作面前方煤壁出现松塌区和塑性区。

通过上述计算煤壁片帮主要与煤体的顶板压力，抗剪强度，煤体的性质有关，改变煤体性质提高煤体抗剪强度是防治煤壁片帮的主要途径。

四、防治措施

1.降低采高，增高护帮板

为防止煤壁片帮，应适当降低采高，初步定为采高为2.2m。在实际生产过程中根据现场条件实时进行调整（在过最大倾角时，采高降为2.1m）。增高护帮板的长度，支架在架后，煤壁前方由于煤层离层现象，前方容易形成空顶，此时应增长护帮板的长度，控制煤层前方的空顶，改善煤壁的微小裂隙的发育。

2.移架注意事项

移架操作时必须严格执行带压擦顶移架，先升前立柱，后升后立柱，支架顶梁与顶板呈面接触。严禁支架大起大落，降架高度不得超过500mm，要保证泵站压力不小于30MPa。支架升到位后应再供液30秒左右，使支柱有足够的初撑力。

液压支架移动到位后，及时打开护帮板护帮，防止煤壁片帮漏顶。若出现空顶现象，需及时采取打带帽点柱等临时支护措施进行支护，严禁煤壁区顶板长时间空顶。

发生片帮时，应超前移架，即在未割煤时将支架先移到位，同时推出护帮板，尽可能地使护帮板护住煤壁，若片帮较为严重，应在架前打套棚，控制好煤壁及顶板，防止片帮延伸。

3.加固顶板

采用提前预注玛丽散进行顶板加固，采用架设挑棚支护顶板。提高液压支架的强度，确保泵站工作压力不低于30Mpa，确保液压支架的初撑力符合与围岩的关系。

回风顺槽大角度仰采段有1.5m的断层，断层面附近煤层顶板破碎，如断层面附近顶板 （煤）破碎，必须提前预注马丽散固化顶板，防止片帮漏顶。