大陽煤礦大仰角雙斜綜采工作面片幫冒頂分析及防治措施

文/李志強

一、工作面概況

山西蘭花集團大陽煤礦3204大仰角雙斜工作面東部為上河掌村（地面標高為+982～+1073m），本工作面東部相鄰的3203、3302工作面已采，南面與北二采區三條大巷相連。3204工作面位于上河漳向斜的一翼總體上為單斜構造，工作面推至約320m時，整個工作面呈仰采趨勢，坡度平均達到15°左右，局部可達 25°。

煤層賦存較穩定，工作面內有數條斷層，其中有四條主要斷層，對開采有一定影響。3號煤層偽頂為灰黑色泥巖，厚度0～0.5m。直接頂為灰黑色泥巖，局部有粗粉砂巖，中上部有煤層，平均厚度4.3m。老頂為灰色中砂巖，厚度平均為8.8m，硅鈣質膠結直接頂。直接底為灰黑色泥巖或細粉砂巖，厚度平均為9.0m。老底是灰色石英砂巖，鈣質膠結，分選中等，次棱角狀顆粒，平均厚度2.25m。

二、工作面片幫內因

1.煤層物理性質

3號煤俗稱“香煤”，主要以亮煤和鏡煤為主，3號煤層厚度大且穩定，揮發分低，發熱量高，灰分易選，灰熔點高（在1400℃以上），是優質無煙煤。3號煤煤層中含有2～3層夾矸，屬于復雜結構煤層。煤質較為松軟。煤巖物理性質如圖1所示。

圖1 3號煤物理性質

2.工作面煤壁前方壓力

工作面煤層傾角對煤壁前方的壓力分布有一定的影響，從3204工作面開始爬坡時傾角的日常觀測數據可得，工作面平均傾角為15°左右。在生產過程中容易發生冒頂的地段82號架到122號架的實測平均傾角為24°。

實際觀測證明，煤層傾角對回采工作面礦山壓力顯現的影響也很大。上覆巖層的重量為W，由于傾角α增大必然會使沿著層面的切向滑移為Wsinα增大。此時會影響煤壁前方的支撐力。

經分析，由于傾角增大，采空區頂板冒矸不能在原地留存，沿著底板滑移，從而改變了上覆巖層的運動規律。

在對工作面81號到122號架的日常觀測分析，工作面推進58.5m分別為2月 6日、12日、18日、27 日，來壓步距為 12～15m，持續天數2～3天。二月份工作面支架最大工作阻力為32MPa。

工作面推進56m，周期來壓4次，分別為2月9日、14日、19日、25日，來壓步距為 12～15m，持續天數2～3天。工作面支架最大工作阻力為32MPa。

通過分析得出：老頂周期來壓和煤壁片幫冒頂有一定的影響，老頂來壓應力增高的地方煤壁片幫程度越大。

3.工作面地質構造

3204工作面在開始仰采時，在綜采工作面回風巷距開切眼283m工作面過正斷層，此斷層為走向斷層，落差為1.5m，受到斷層的次生構造的影響，工作面頂板比較破碎。工作面煤層中節理裂隙特別發育，節理主要為剪節理，是在壓應力誘導產生的剪應力作用下形成的剪節理，它把工作面的巖層切割成菱形或棋盤狀。落差≤20cm的小型走向正斷層非常之多。工作面煤層在發生片幫時，首先會沿著這些節理面發生移動。所以，節理裂隙是造成煤壁片幫的主要原因。

三、工作面片幫冒頂機理

煤體在開采前處于原巖應力條件應力保持相對平衡，當煤體開采后煤壁上的應力遭到了破壞，水平應力迅速減小，由于開采引起的承壓力作用垂直壓力迅速增大，煤壁處于不穩定狀態。在采高、煤層傾角、開采深度一定時，在煤壁的前方分為應力降低區、應力增高區和原巖應力區。根據摩爾—庫倫強度理論巖體破壞準則表示為：

式中，c—煤體的粘聚力，δ—剪切面上的應力，φ—內摩擦角，當最大剪應力τmax≥[τ]時，煤體將發生破壞。

由于3號煤煤質比較松軟，煤壁在自重和頂板壓力作用下，主要表現為剪切式破壞。

松軟煤層在煤體自重及頂板壓力作用下，在煤壁產生橫向的拉應力。由于煤壁的剪應力大于抗剪強度而發生剪切滑動破壞，實際的剪切滑動大部分為曲面，由于3204工作面采高為2.2m，片幫高度為2.1m；所以可以近似為平面。按照摩爾—庫倫強度理論破壞準則：

式中，G為安全余量，D為抗剪力，S為滑動力，C為煤體粘聚力，h為剪切面破壞高度，N為剪切面上的法應力，α為剪切面與煤壁的夾角，φ為煤體內摩擦角，若安全余量G小于0時，則煤壁發生破壞。由摩爾—庫倫理論得到α=45°-φ/2，N=（sinαtanα-cosα）tanα帶入（1）式中得出煤體破壞準則：

式中頂板壓力為P=qhtanα

滑動體自重為 W=（h2rtanα）/2

q為頂板載荷集度

r為煤體的容重

影響煤壁前方的支撐壓力的因素還有塑性區寬度，應力集中系數。在前方支撐壓力作用下，工作面前方煤壁出現松塌區和塑性區。

通過上述計算煤壁片幫主要與煤體的頂板壓力，抗剪強度，煤體的性質有關，改變煤體性質提高煤體抗剪強度是防治煤壁片幫的主要途徑。

四、防治措施

1.降低采高，增高護幫板

為防止煤壁片幫，應適當降低采高，初步定為采高為2.2m。在實際生產過程中根據現場條件實時進行調整（在過最大傾角時，采高降為2.1m）。增高護幫板的長度，支架在架后，煤壁前方由于煤層離層現象，前方容易形成空頂，此時應增長護幫板的長度，控制煤層前方的空頂，改善煤壁的微小裂隙的發育。

2.移架注意事項

移架操作時必須嚴格執行帶壓擦頂移架，先升前立柱，后升后立柱，支架頂梁與頂板呈面接觸。嚴禁支架大起大落，降架高度不得超過500mm，要保證泵站壓力不小于30MPa。支架升到位后應再供液30秒左右，使支柱有足夠的初撐力。

液壓支架移動到位后，及時打開護幫板護幫，防止煤壁片幫漏頂。若出現空頂現象，需及時采取打帶帽點柱等臨時支護措施進行支護，嚴禁煤壁區頂板長時間空頂。

發生片幫時，應超前移架，即在未割煤時將支架先移到位，同時推出護幫板，盡可能地使護幫板護住煤壁，若片幫較為嚴重，應在架前打套棚，控制好煤壁及頂板，防止片幫延伸。

3.加固頂板

采用提前預注瑪麗散進行頂板加固，采用架設挑棚支護頂板。提高液壓支架的強度，確保泵站工作壓力不低于30Mpa，確保液壓支架的初撐力符合與圍巖的關系。

回風順槽大角度仰采段有1.5m的斷層，斷層面附近煤層頂板破碎，如斷層面附近頂板 （煤）破碎，必須提前預注馬麗散固化頂板，防止片幫漏頂。