松軟破碎煤層大采高綜采工作面片幫冒頂防治研究

遲克勇

（山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西省太原市，030031）

松軟破碎煤層大采高綜采工作面片幫冒頂防治研究

遲克勇

（山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西省太原市，030031）

通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)大采高綜采工作面片幫冒頂情況，分析了松軟破碎煤層大采高綜采工作面片幫冒頂?shù)挠绊懸蛩兀岢隽讼鄳?yīng)的防治技術(shù)措施，并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明，采取治理措施后，對(duì)于較破碎頂板的冒落，通過采用降低采高以留設(shè)一定量煤皮的方法很好地防止了大面積冒頂?shù)陌l(fā)生；片幫量明顯降低，未發(fā)生超過2m3的片幫。

松軟破碎煤層 大采高 片幫冒頂

1 引言

大采高綜采與綜放開采技術(shù)相比具有回采率高、工序簡單等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)地質(zhì)條件要求較高。隨著采高的加大，工作面煤壁揭露后，受重力及煤體自身構(gòu)造的影響，煤壁片幫的概率增大，嚴(yán)重的煤壁片幫對(duì)大采高工作面的正常生產(chǎn)造成很大的影響。由于煤壁片幫后，空頂距增大，又進(jìn)一步引起端面漏冒，導(dǎo)致頂板條件惡化，而頂板條件惡化又導(dǎo)致支架接頂差、支架受力不均勻等現(xiàn)象，容易引起支架部件損壞，將導(dǎo)致支架－圍巖關(guān)系惡化而引起頂板事故，這樣的惡性循環(huán)使大采高設(shè)備無法發(fā)揮其生產(chǎn)潛能，同時(shí)也是安全生產(chǎn)的巨大隱患。因此，防治煤壁片幫是大采高工作面生產(chǎn)技術(shù)管理的重要課題之一，也是大采高工作面取得良好經(jīng)濟(jì)效益的根本保證。

2 工程概況

某礦大采高綜采工作面煤體內(nèi)生裂隙發(fā)育，平均采深為371～540m左右。煤層傾角2～16°，平均8°，煤層總厚5.87m，其中煤厚5.23m，炭質(zhì)泥巖夾層厚度0.64m，煤層賦存穩(wěn)定，變異系數(shù)為0.08%，可采指數(shù)為1。煤質(zhì)為黑色、玻璃光澤、性脆、低硫、發(fā)熱量高的優(yōu)質(zhì)無煙煤。老頂為細(xì)粒砂巖，厚度為11.23m，灰白色，中厚層狀，成分以石英為主，具有波狀層理，分選性中等，堅(jiān)硬。直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為4.85m，黑色，厚層狀，參差狀斷口，局部有裂隙，松軟，含大量白云母片和植物化石。直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度為7.48m，灰黑色，厚層狀，含有白云母片，中間夾有砂巖，含有植物化石。老底為細(xì)粒砂巖，厚度為2.62m，灰色，中厚層狀，成分以石英為主，分選性中等，質(zhì)地堅(jiān)硬。

該工作面整體東高西低，南高北低，相對(duì)高差約65m，見圖1。工作面回采過程中主要受SF58正斷層影響，該斷層位于工作面切眼距運(yùn)輸巷30 m處，走向70°，傾向340°，傾角50°，落差1.5 m，對(duì)回采有一定影響。水文地質(zhì)條件簡單，其主要充水因素為基表風(fēng)化帶裂隙含水和上覆巖層含水層水。其中上覆距離工作面直接頂35.46m的K8砂巖含水層影響較大。垂直地應(yīng)力平均為11.4MPa。

圖1 工作面示意圖

3 大采高工作面片幫冒頂觀測(cè)及分析

3.1 片幫觀測(cè)及影響因素分析

3.1.1 觀測(cè)

非來壓期間，工作面正常推進(jìn)過程中煤壁片幫深度和高度均較小，以深度1～1.5m、高度1.5～2m為主，波及范圍多為2個(gè)支架左右，多發(fā)生在煤壁中上部，整個(gè)工作面發(fā)生片幫的地方較少，片幫處平均片幫深度約1～1.5m。周期來壓期間，煤壁片幫深度1.0～2.5m，高度一般在2.0～3.5 m，位于煤壁中上部，寬度最大為6～10架支架范圍。

3.1.2 影響因素分析

（1）煤體本身構(gòu)造影響。該工作面煤體性脆、節(jié)理裂隙發(fā)育。由于受到構(gòu)造裂縫的切割，煤壁自穩(wěn)性差，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)主要以楔形裂縫為主，裂縫貫穿整個(gè)煤層厚度，使得煤體失去橫向聯(lián)系，在煤壁揭露出后，沿著節(jié)理裂隙面滑落。

（2）超前支承壓力的影響。隨著工作面的向前推進(jìn)，超前支撐壓力將工作面前方煤壁壓酥，當(dāng)移架靠近煤壁時(shí)，由支架承載頂板壓力，護(hù)幫板打開可以很好地將煤壁護(hù)好，但是由于支架對(duì)頂板的初撐效果不能得到及時(shí)發(fā)揮，使頂板出現(xiàn)一定程度的下沉，壓力主要作用點(diǎn)在煤壁上，致使煤壁更加破碎，進(jìn)而導(dǎo)致片幫的發(fā)生。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，老頂來壓后的10～20m的范圍內(nèi)，煤體受超前支承壓力峰值的影響，工作面煤壁片幫異常嚴(yán)重，特別是工作面機(jī)尾，煤體經(jīng)受兩次劇烈的采動(dòng)應(yīng)力影響，片幫塊度大、持續(xù)時(shí)間長。

（3）生產(chǎn)工藝的影響。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，由于工作面煤體較松軟，因此，在落煤時(shí)，只用前滾筒割3.2m厚的底煤，剩余2.67m的頂煤讓其靠自重滑落下來。這樣使得頂煤只能沿其節(jié)理裂隙面滑落，大煤塊的滑落，導(dǎo)致工作面煤壁起伏不平，煤壁上部經(jīng)常出現(xiàn)“挺肚子和弓腰”的十分不整齊現(xiàn)象，尤其在“弓腰”嚴(yán)重處，用支架護(hù)幫板做支撐頂梁用，根本起不到護(hù)頂護(hù)幫的作用。而支架護(hù)幫條件的惡化，直接導(dǎo)致頂板冒落，進(jìn)一步惡化采場(chǎng)支護(hù)狀況。同時(shí)還受割煤、移架、推溜工藝順序的影響。實(shí)際生產(chǎn)中，割煤完成后先推溜后移架，致使空頂時(shí)間較長，片幫發(fā)生幾率增加，特別是在磨機(jī)頭或者磨機(jī)尾時(shí)，連續(xù)2～3次的進(jìn)刀，增加了頂板懸露面積和時(shí)間。

（4）采高的影響。通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采高超過5.8m后，支架對(duì)頂板的控制作用明顯削弱，片幫塊度大，數(shù)量多，多伴隨冒頂?shù)陌l(fā)生，支架頂梁抬頭嚴(yán)重。當(dāng)采高小于4.5m時(shí)，工作面片幫將明顯減少，很少有冒頂發(fā)生。

3.2 冒頂觀測(cè)及影響因素分析

3.2.1 觀測(cè)

在工作面推進(jìn)初期，受局部小斷層影響，在斷層破碎帶范圍內(nèi)煤層頂板較破碎。冒高一般在1.0～1.5m，深度約為2.0m，波及范圍在2～4架，但整體上工作面頂板較完整。在工作面推進(jìn)至150m左右時(shí)，機(jī)頭10＃～30＃支架范圍內(nèi)受大面積片幫的影響，發(fā)生嚴(yán)重的冒頂。部分垮落矸石體積超過2m3，此情況持續(xù)近兩周時(shí)間，嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)。當(dāng)工作面推進(jìn)至163m時(shí)，機(jī)頭11＃～30＃支架又發(fā)生嚴(yán)重的冒矸情況，又持續(xù)近15d。冒矸持續(xù)時(shí)間長，并且波及的范圍較大，最終使得從56＃支架處至機(jī)頭范圍內(nèi)均出現(xiàn)嚴(yán)重冒頂，最大冒落高度2.5m，使得支架無法接頂，頂板冒落空間隨著冒矸的下落不斷擴(kuò)大，部分支架由于架矸，支架壓力偏低，并且無法順利移架，甚至出現(xiàn)“咬架”現(xiàn)象。

3.2.2 影響因素分析

在回采過程中，頂板冒落主要發(fā)生在直接頂裂隙發(fā)育和頂板活動(dòng)強(qiáng)烈、煤體片幫較嚴(yán)重的區(qū)域。冒頂發(fā)生主要受煤壁片幫、地質(zhì)構(gòu)造、頂板水和煤層厚度變化的影響。煤壁片幫后，支架頂梁前端至煤壁的空頂距增加，造成冒頂發(fā)生，煤壁片幫和直接頂?shù)拿奥湓跁r(shí)空上具有一定的順序關(guān)系。由于地質(zhì)構(gòu)造的影響，煤層頂板異常破碎。在工作面推進(jìn)至150m左右時(shí)，機(jī)頭50m范圍內(nèi)發(fā)生了嚴(yán)重的冒頂事故。最嚴(yán)重時(shí)，冒落矸石堆積近3.5m高，最大冒矸體積約2m3，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。受頂板淋水影響，頂板巖層物理力學(xué)性能惡化，在受到采動(dòng)影響后，易破碎冒落。根據(jù)回采過程中對(duì)采高的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)煤層厚度變化較大，其中以機(jī)尾煤層厚度變化最大。沿著垂直工作面推進(jìn)方向，底板在機(jī)尾處高，中間和機(jī)頭低；頂板在機(jī)尾處高，中間低，機(jī)頭比中間稍高。從工作面推進(jìn)方向看，工作面采高總體呈上升趨勢(shì)，局部區(qū)域采高變化較大，最大采高達(dá)到6.5m，最低達(dá)到4.2m，采高波動(dòng)變化最多區(qū)域主要集中在機(jī)尾處。

受采高和支架自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)的影響，升架過程中支架頂梁位態(tài)隨煤層頂板改變，支架間頂梁過渡存在明顯的“凸臺(tái)”，頂梁“抬頭容易低頭難”。在走向方向，當(dāng)采高由低變高時(shí)，支架頂梁順著頂板逐漸抬頭并能平穩(wěn)過渡，見圖2（a）、圖2（b）；到達(dá)最大高度之后，煤層頂板高度開始下降，此時(shí)的直接頂基本為煤矸互層頂板，力學(xué)性能低，自穩(wěn)性差，支架一旦不及時(shí)支護(hù)就容易冒落，冒落厚度一般與最高采高時(shí)頂板高度相同，見圖2（c）、2（d）。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，受機(jī)尾推移的影響，工作面頂板空頂時(shí)間太長，導(dǎo)致頂板冒落，越向前推進(jìn)，冒落矸石厚度越大，支架頂梁離煤層越遠(yuǎn)，出現(xiàn)明顯的臺(tái)階落差。

圖2 支架“抬頭容易低頭難”示意圖

4 治理措施及效果分析

4.1 治理措施

通過分析，造成松軟煤層大采高工作面片幫冒頂影響因素，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，提出以下治理措施：

（1）由于煤壁片幫是導(dǎo)致冒頂?shù)闹匾颍氏戎卫砥瑤汀Ｔ诿罕趦?nèi)打木錨桿支護(hù)煤壁；改進(jìn)落煤工藝，盡量使用雙滾筒割煤，前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤；及時(shí)打開護(hù)幫板，并且保證足夠的初撐力，采用及時(shí)支護(hù)工藝，減少空頂時(shí)間。

（2）對(duì)于由于片幫導(dǎo)致的冒頂，通過上述防治片幫措施即可預(yù)防冒頂發(fā)生。對(duì)于由于受地質(zhì)構(gòu)造引起的冒頂，可以通過超前工作面預(yù)注漿的方法加固頂板。對(duì)于受水文地質(zhì)影響導(dǎo)致頂板破碎的情況，也可以采用超前探水技術(shù)，先將水排出，再注漿加固頂板。

（3）當(dāng)工作面采高超過5.8m、煤壁片幫深度超過3m、而支架又不能及時(shí)支護(hù)時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的二次支護(hù)措施，保證頂板不冒落。可采取頂板補(bǔ)打錨索、掏窩架梁等措施，并注意施工期間的安全防護(hù)，必要時(shí)可先打木垛。

（4）提前預(yù)測(cè)煤層厚度的變化情況，煤層變厚時(shí)，必須割頂煤以控制采高，必要時(shí)可提前降低采高，防止煤層變薄時(shí)支架低頭困難；煤層變薄時(shí)，要及時(shí)調(diào)整平衡千斤頂，使支架低頭，各支架間平穩(wěn)過渡。

（5）對(duì)于已形成大面積頂板冒落，且支架頂梁“低頭”困難的區(qū)域，有必要在支架前方安全區(qū)域打錨索支護(hù)，并降低支架高度，逐架調(diào)整，使其平穩(wěn)過渡。

4.2 效果分析

綜合采用上述措施后，該礦松軟煤層大采高工作面煤壁片幫和冒頂均明顯降低。通過超前注漿有效地加固了煤層，再配合雙滾筒割煤，與之前相比，煤壁沒有發(fā)生波及整個(gè)采高范圍的沿節(jié)理裂隙面的剝落。對(duì)于較破碎頂板的冒落，通過采用降低采高留一定量煤皮的方法很好地防止了大面積冒頂?shù)陌l(fā)生。工作面非來壓期間煤壁片幫量在采取上述措施前后對(duì)比圖見圖3，可以看出，采取上述治理措施后，片幫量明顯降低，沒有發(fā)生超過2m3的片幫。

圖3 采取治理措施前后片幫量對(duì)比圖

5 結(jié)論

針對(duì)受地質(zhì)構(gòu)造破壞的松軟破碎煤層大采高工作面片幫冒頂嚴(yán)重問題，在分析其發(fā)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的治理措施，得出如下結(jié)論：

（1）治理片幫可以有效地防止冒頂?shù)陌l(fā)生。片幫的治理可以采用煤壁打木錨桿、化學(xué)注漿等加固煤壁方法，再配合改進(jìn)落煤工藝的方法可以有效地降低煤壁片幫量。

（2）對(duì)于受地質(zhì)構(gòu)造切割嚴(yán)重破碎頂板的冒落，可以采用超前注漿加固、降低采高以及在工作面支架前方安全區(qū)域打錨索支護(hù)等措施，防止頂板冒落的發(fā)生。

[1] 尹希文，閆少宏，安宇.大采高綜采面煤壁片幫特征分析與應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008（2）

[2] 胡國偉，靳鐘銘.大采高綜采工作面礦壓觀測(cè)及其顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（2）[3] 寧宇.大采高綜采煤壁片幫冒頂機(jī)理與控制技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009（1）

Control of rib spalling and roof falling in fully mechanized working face with great mining height on soft cracked coal seam

Chi Keyong

（Shanxi Vocational and Technical College of Coal，Taiyuan，Shanxi 030031，China）

Based on the actual conditions of rib spalling and roof falling in the fully mechanized working face with great mining height on soft cracked coal seam，the influencing factors were analyzed and the control techniques were proposed.On－site application showed that the cracked roof falling in large area was prevented by lowering mining height and leaving a certain top coal.The quantity of rib spalling obviously decreased to less than 2m3.

soft cracked coal seam，great mining height，rib spalling and roof falling

TD323

A

遲克勇（1976－），男，碩士，講師，主要從事煤礦安全生產(chǎn)方面的教學(xué)與研究工作。

（責(zé)任編輯 梁子榮）