大采高工作面松软煤层片帮、冒顶治理措施应用研究

张晓军

（山西沁和能源集团南凹寺煤业有限公司，山西 晋城 048000）

南凹寺煤业主采3#煤层，煤质松软，特别是受构造影响区域煤层及顶底板更为破碎，工作面回采过程中经常出现片帮、冒顶的情况。当工作面煤壁发生片帮、冒顶情况时，会使该区域控顶距增加，冒顶现象加剧[1-3]，同时使液压支架受力不均衡，影响综采设备运转，对矿井正常生产带来不利影响。因此，以该矿30401 工作面为工程基础，对影响煤壁稳定性的因素进行分析，提出有效治理措施，对保证工作面稳定生产具有重要意义。

1 工作面概况

南凹寺煤业30401 工作面为倾斜长壁回采工作面，采用综采回采工艺，全部垮落法管理顶板。工作面倾向长度755 m，走向长度145 m，主采3#煤层。煤层厚度3.14～6.93 m，平均为5.25 m，倾角2～12°，平均6°。煤层内偶见1 层砂质泥岩夹矸，煤层赋存较稳定，煤层结构简单。该工作面煤层直接顶板为4.8 m 砂质泥岩，基本顶为11.1 m 细砂岩，基本底为2.6 m 细砂岩。该工作面煤体的抗压强度较低，煤层质地松软，工作面回采范围内节理裂隙较发育，存在众多小型断层，对煤层稳定性有较大影响。

通过在工作面回采过程中对煤层矿压显现情况进行观察，工作面在初始回采阶段，片帮现象不严重，片帮深度不足1.5 m，高度在0.9～1.4 m 之间，且片帮现象仅出现在工作面中上部。当工作面周期来压时，片帮现象明显增加，全工作面均出现片帮情况，片帮高度1.8～2.3 m 之间，局部片帮深度超过2 m。在30401 工作面回采初期，由于断层的影响，导致顶板局部出现冒顶现象，但顶板总体的完整性较好。随着工作面回采长度的增加，机头位置冒顶情况严重，且冒顶体积较大，对工作面正常回采产生严重影响。

2 工作面片帮、冒顶影响因素分析

在工作面回采一定距离后会造成直接顶板的垮落，当回采距离达到初次来压步距后，基本顶垮落，工作面周围煤岩体应力平衡被打破，使围岩应力发生变化，形成超前支承应力。当煤壁所受超前支承应力大于自身的抗压强度后，煤体将受到破坏，顶板裂隙发育稳定性下降。特别对于松软煤层而言，其煤体本身比较破碎，承载性能较差，在工作面回采动压的影响下，煤体容易遭到破坏，导致工作面煤壁产生严重片帮和冒顶情况。

2.1 煤壁片帮原因分析

（1）煤体结构分析

该矿位于向斜一翼，受层间滑动影响造成煤质松软[4]。30401 工作面由于受到局部构造影响，回采范围内的煤体节理裂隙较发育。利用TYGD10 钻孔窥视仪对煤层内部裂隙发育情况进行窥视可知：煤体内的裂隙主要为垂直裂隙，局部裂隙贯穿长度较大，破坏了煤体在水平方向上的连续性，产生薄弱面，出现应力集中现象。当工作面回采至裂隙位置时，煤体薄弱面受采动影响容易发生片帮现象。煤体裂隙窥视情况如图1 所示。

图1 钻孔窥视图

（2）煤壁超前支承应力分析

工作面在回采过程中，四周应力分布情况如图2 所示。超前工作面区域所受应力升高，煤壁出现应力集中情况，特别是在工作面发生周期来压时，应力集中现象更为明显。在工作面移架时，液压支架高度降低，此时顶板失去支撑发生下沉，使煤壁所受应力进一步增加。由于煤体的承载能力较差，叠加裂隙发育，容易造成煤壁受到破坏发生片帮。通过对工作面矿压进行观测，煤壁大规模片帮现象主要发生在工作面周期来压之后，且片帮体积较大，片帮持续时间较长。

（3）开采工艺分析

在工作面回采过程中，采煤机的前滚筒回采高度为3 m，沿煤层底板截割，剩余2.25 m 顶煤进行放顶，导致煤壁形状不规则，液压支架的护帮板不能对煤壁起到良好的支撑作用，在移架时会出现空顶现象，煤壁荷载增加，易产生片帮。

图2 工作面支承应力分布图

（4）工作面回采高度分析

在工作面回采过程中对煤壁片帮情况进行统计，结果见表1。由表1 可知，当回采高度超过4.5 m 时，片帮现象比较严重。因为当采高增加时，实体煤所承受的顶板荷载更大，且由于煤层松软，在工作面回采动压影响下，煤体次生裂隙较发育，易导致片帮情况。

表1 煤厚与片帮情况关系表

2.2 工作面冒顶因素分析

在工作面回采过程中，冒顶现象时有发生，导致冒顶的主要原因为片帮、地质构造和煤层采高过大三个方面。

（1）片帮对冒顶的影响分析。在工作面煤壁发生片帮时，顶板控顶距增加，使液压支架不能对空顶区域及时进行支撑，容易发生冒顶。工作面冒顶事件常常发生在片帮之后，片帮与冒顶存在一定因果关系，且具有时间联系。

（2）地质构造对冒顶的影响分析。30401 工作面在回采过程中会经常遇到小型断层，受到断层的影响，该区域煤层顶板往往比较破碎。根据工作面地质情况，在距切眼140 m 处存在两条断层，落差分别为0.9 m 和1.3 m。对工作面冒顶情况进行统计发现，在回采通过断层期间，冒顶情况较为严重，冒落高度最大为3.3 m。所以断层对片帮的影响作用比较明显。

（3）采高对冒顶的影响分析。30401 工作面在回采期间，回采高度变化很大，在机尾处变化最大。对回采高度进行测量，该工作面最小回采高度为3.9 m，最大回采开采达到6.6 m。受到采高变化的影响，需在移架时不断调整液压支架的高度，加剧顶板的破碎程度，使其稳定性下降，同时增加移架时间，使空顶时间变长，导致顶板失去支撑而易出现冒顶。

3 片帮、冒顶治理方案

通过对工作面片帮、冒顶致因的分析，结合30401 工作面实际地质条件，提出如下治理措施：

（1）在工作面回采期间，对片帮、冒顶严重区域打木锚杆，对煤壁加强支护；同时优化割煤方式，采用双滚筒割煤，前后滚筒分别割顶底煤，防止出现悬挂煤体，改善煤体的受力状态；及时打开支架护帮板对煤壁进行支护，减少空顶长度和时间。

（2）对顶板进行超前注浆加固。注浆材料为水泥，水灰比1:1。由于机尾处的冒顶现象最为严重，因此选择在工作面回风巷对易冒顶区域进行超前注浆。注浆钻孔深度5 m，直径42 mm，与水平夹角为30～40°，注浆钻孔间、排距2.5 m。钻孔布置图如图3 所示。

图3 注浆孔布置断面图

（3）在工作面回采期间，若煤层顶板凹凸不平且煤壁出现片帮时，对顶板进行二次支护，在“凹入点”施工锚索或利用木垛支撑，减少空顶现象发生。

（4）对超前工作面煤层厚度进行预测，掌握煤层厚度变化情况，并严格控制液压支架高度。当回采煤厚较大时，可适当降低回采高度，以防煤厚突然减小时出现支架前移困难现象。

4 效果

在制定针对煤壁片帮和冒顶相应的治理方案后，在30401 工作面进行治理前后片帮、冒顶情况统计，如图4 所示。由图4 可知，在采取治理措施之后，工作面片帮、冒顶情况明显减轻，治理后出现片帮的体积均未超过2 m³，工作面煤壁稳定性得到提高，煤壁处控顶距得到控制，避免了液压支架受力不均衡情况的发生。工作面每个生产班割煤刀数由治理前的3 刀提高到5 刀，实现工作面的安全高效回采，提高回采效率及资源回收率。

图4 治理前后片帮体积对比

5 结论

（1）对30401 工作面片帮、冒顶致因进行统计分析，影响片帮的主要因素为煤体结构、超前支承应力、回采工艺和回采高度等；影响冒顶的主要因素为片帮、断层和回采高度等。

（2）制定30401 工作面片帮、冒顶的治理方案。加强煤壁支护，优化割煤方式，对片帮、冒顶区域进行超前注浆加固，并针对顶板凹凸不平和回采高度变化采取相应的处理措施。

（3）通过对30401 工作面片帮、冒顶采取治理措施的效果统计分析，工作面片帮、冒顶情况明显减轻，证明该治理方案对大采高、裂隙发育的松软煤层能够起到较好的控制作用，减少片帮、冒顶现象，提高工作面生产效率。