软煤大采高综采工作面防治片帮冒顶研究

赵保平

（山西煤炭运销集团长治有限公司,山西 长治 047100）

0 引言

我国从1978年起，引进德国大采高支架及相应的采煤运输设备，同时国产大采高液压支架和采煤机相继研制。经过30年的实践，目前已取得明显进展并具有降低掘进率、缓解采掘接替紧张、简化生产环节和防瓦斯防火防尘等明显技术优势。但对于煤层普氏系数在0.6以下的软岩煤层而言，在回采期间常出现工作面煤壁片帮和冒顶现象，严重制约工作面正常推进。基于该种情况，笔者开展软煤机理研究，并在此基础上提出防治措施，以保证矿井安全生产。

1 工作面概况

山西长治王庄煤业有限责任公司（以下简称王庄煤业），隶属山西煤炭运销集团有限公司，2009年改扩建，核定生产能力为240万吨/年，现开采3#煤层，位于山西组中下部，上距K8砂岩34.90～43.67 m,平均35.21 m；下距K7砂岩3.69～8.54 m，平均6.66 m；下距15#煤层101.51～119.65 m，平均109.83 m。煤厚4.20～6.07 m，平均5.08 m，倾角4～6°，煤的容重为1.45 t/m3，结构简单，含一层夹矸，厚度约0.1 m，距煤层底板1.35～1.4 m，煤层厚度稳定，全井田可采，为稳定型煤层。煤层顶板多为中、细粒砂岩，局部为泥岩、砂质泥岩；底板多为泥岩、砂质泥岩、局部为细砂岩。煤层具有煤尘爆炸危险，属不易自燃煤层。

矿井首采大采高3501工作面，煤层厚度4.20～6.07 m，平均5.08 m，平均采高5.08 m，煤层普氏硬度系数f<0.6，近水平煤层，埋深280～360 m，工作面走向长度1408 m，倾斜长度300 m。

2 大采高工作面煤壁片帮冒顶机理数值模拟分析

2.1 模型尺寸及边界条件

模型的建立是依据王庄煤业3501综采工作面所处的实际工程地质条件，模型尺寸取工作面长300m，高60m，宽150m，假定模型两侧水平位移近似于0。同时假定模型的底边的水平和竖直位移都近似于0，模型的顶部加载以竖直的地应力，模型可模拟王庄煤业3501工作面煤层开采后采场矿山压力分布及煤壁和顶底板岩层的塑性片帮等情况，以便定性的分析大采高工作面煤壁片帮机理。

图1 王庄3#煤层开采模拟模型图

2.2 模型力学参数

模拟过程考虑煤体、顶底板岩层的实际性质，工作面采高、工作面长度、煤层埋深、支架工作阻力等影响因素。根据工作面附近钻孔地层情况：3501工作面煤层埋深340m，平均采高5.08m，煤层为近水平煤层，模拟的煤层顶底板岩性、厚度及岩石力学参数如表1所列。

表1 3#煤层顶底板赋存特征与力学参数

2.3 煤壁片帮冒顶机理模拟分析

按照图1中的计算模型，赋予模型与王庄煤业3501综采工作面相近似的工程概况条件及相应的煤岩层岩石力学参数，通过模型的模拟计算，得出工作面煤壁的及地顶板岩层的受力情况以及煤壁塑性区扩展变化情况，分析3501大采高工作面的片帮冒顶机理。

图2 3501综采工作面煤壁及顶底板塑性区分布图

随着工作面的推进，煤壁由开采前的三维应力状态改变为开采后的二维应力状态或者单向应力状态，煤壁在采场超前支撑压力作用下，工作面附近的煤壁出现塑性变形形成塑性破碎区（如图2所示），从而导致煤壁片帮。煤壁片帮的宽度、深度和形状不是完全相同的，但片帮冒顶的区域一定是出现在塑性区内。

图3 3501综采工作面煤壁及顶底板支承应力分布云图

由图3支承应力分布云图中可以得出：煤壁中支承应力峰值出现在煤壁中央距煤壁约3.5m处，且最大支承应力峰值为20.455MPa，为原岩应力的2.4倍，根据矿山压力理论，煤壁中的支承应力峰值点为煤体的弹性区和塑性区的分界点，峰值点以内为煤体的塑性破坏区，以外为煤体的弹性变形区。煤壁附近塑性区的煤体处于二维应力或者单向应力状态，其支承能力大大降低，当煤体所承受的支承压力超过煤体的强度极限时，往往会引起煤壁外鼓量的增加，从而导致煤壁的片帮冒顶，王庄煤业3501工作面实测的片帮冒顶形式如图4所示。

由图4所示，王庄煤业3501大采高工作面煤壁片帮的形式及规律基本符合弹性力学摩尔强度理论：煤壁的片帮是因为其内部产生剪切力，当某一剪切面上的剪切力大于煤体所允许的剪切力时，煤体就会沿着该剪切面发生剪切破坏。按照弹性力学理论分析可知，最大剪应力面的法向与最大主应力方向的夹角（为煤体的内摩擦角），因此多处煤壁片帮都是与水平面呈约45°夹角出现的剪切滑移而破坏片落。

3 片帮冒顶影响因素

大采高工作面引起片帮和冒顶的因素有很多，有自然因素，如：埋深、煤层厚度、煤质强度、煤的解理裂隙发育程度等；也有生产技术因素，如：支架支护强度、支架护帮板水平推力、割煤高度、截深、工作面长度、工作面推进速度和工作面俯（仰）斜开采角度等。在特定的煤层地质条件下，生产技术因素往往是我们研究煤壁与端面顶板稳定性的重点[1-3]。

4 防片帮冒顶技术措施

大采高工作面煤壁片帮和端面冒顶是两个相互影响的过程，煤壁发生片帮，使支架与煤壁间的无支护空间加大，从而诱发端面冒顶，而端面冒顶也增加了煤壁无水平约束高度，反过来又加剧了煤壁片帮，造成恶性循环。同时，片帮和冒顶的发生也恶化了支架与围岩的相互作用关系，使煤壁和端面顶煤稳定性维护更加困难。因此大采高开采煤壁稳定性研究必须考虑到片帮和冒顶的这种相互影响关系。在影响煤壁和端面顶煤稳定性的众多因素中，有些是不可改变的，比如自然因素，但有些是可以加以控制的，如果能有效的控制这些影响因素，则可控制或减小片帮和冒顶事故，保证工作面正常生产。

针对以上片帮机理因素的分析[4-6]，提出了大采高工作面煤壁稳定性控制措施：

4.1 大采高综采工艺参数优化

从综采工艺参数优化方面，对提高大采高工作面煤壁稳定性建议如下：

（1）提高支架初撑力和支护阻力

我们先后在浙江天目山、大盘山、台州大神仙居、温州雁荡山、温州乌岩岭、温州龙湾潭、天台山、嵊泗列岛和台湾宜兰县、南投县、新北市等地，采集到缺齿蓑藓11个地理居群(图1)的106份样本。11个居群的地理信息详见表1。从每个地理居群中随机选取位于4～9个不同树干上的藓丛，各树间的距离在50 m以上，以避免重复取样。将各藓丛中分出的枝条作为不同个体，放入装有变色硅胶的封口袋中，带回实验室冷冻保存、备用。凭证标本保存于上海师范大学标本馆(SHNU)。

1）加强支护质量监测。及时对支架进行二次注液，保证工作面支架具有足够的初撑力和支护阻力，减小煤帮压力，以提高支架－围岩体系的整体刚度，确保良好的支架位态。

2） 正确操作支架。在移架伸柱后，支架工应观察支架间显示屏中的初撑力读数或立柱上压力表读数，保证足够的操作时间，达到额定的初撑力或采用电液阀控制，保证支架的初撑力。充分利用支架的初撑力，及时有效地控制顶板下沉，控制煤壁片帮。

（2）控制采高

正常条件下，严格控制割煤高度，过断层、褶曲等地质构造破碎带时，应适当降低采高。

（3）减小空顶距

1） 及时支护新暴露出来的顶板。采用先移架后推溜的作业方式，实践表明，滞后采煤机组1～2架，马上移架支护顶板，及时打出防片帮板，对防治片帮，可以收到良好效果。当移架速度跟不上采煤机速度时，适当的减缓割煤速度或停机移架，移架后及时将伸缩梁打开。

2） 尽量保证截割出来的顶板平整。

（4）改善并合理使用护帮装置

1）采用三级护帮装置，加大护帮面积。

2） 割煤时由专人超前采煤机前滚筒1/2～1个支架收回护帮板，待前滚筒过后伸出护顶，移架时收回护帮板，移架后伸出护帮，在时间上和空间上形成对煤帮和顶板的不间断支护。

（5）加快工作面推进速度

1） 尽量加快工作面推进速度，减小每循环的顶板下沉总量，控制煤壁片帮。

2） 尽量减小各种不正常事故导致的工作面停产，当出现事故时要及时处理，尽可能的缩短停产时间。

3） 工作面停产大修时，要尽量在煤层较薄、采高较低、顶板条件较好的地段进行，并用单体支柱加强支护，以防止片帮扩大，造成冒顶。

图4 实测王庄煤业3501大采高工作面煤壁破坏形式

除了上述行之有效的措施可以防治或减少煤壁片帮和冒顶外，提高采煤机牵引速度，带压拉架，加固煤壁等措施对于防止片帮较为有效。

4.2 大采高工作面注浆加固技术

根据国内外大采高工作面开采实践，5.0 m大采高工作面开采时，除工作面煤壁的稳定性较差外，松软煤层条件下工作面上下端头过渡区顶煤难维护，上覆顶板较为破碎时，上覆顶板亦不易维护，如果处理不当，极易引发大面积的片帮冒顶现象。因此在工作面煤壁严重片帮、端头过渡区顶煤难维护、工作面顶板较破碎时，可以分别针对该区域进行注浆加固，以保证工作面的安全高效回采。

5 结论

通过对大采高工作面片帮冒顶机理及影响因素分析，给出了软煤大采高工作面防片帮冒顶的具体措施：

（1）大采高综采工艺参数优化，提高支架初撑力和支护阻力，减小空顶距，合理使用护帮装置，加快工作面推进速度，加强工作面生产技术管理。

（2）煤壁注浆加固。

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