近距離煤層采空區下片幫冒頂控制技術

李志剛，高圣元，李春睿

(天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013)

近距離煤層開采可分為順序回采和聯合同采兩種，順序回采即先采完上一層煤后再回采下位煤層，而聯合同采一般是兩層煤保持一定的錯距同時進行回采［1］。黃白茨煤礦9號與10號煤層間距目前開采10號煤層的1016工作面，其上方9號煤層已于1年前回采完畢，屬于順序回采的近距離煤層。當進行近距離煤層開采時，根據層間距離的大小，其相互間的影響程度也不同。煤層間距較大時，上位煤層對下位煤層開采的影響程度很小，開采方式、礦壓、圍巖控制手段等基本不受上位煤層的制約，但當兩煤層距離很近時，下位煤層在開采之前，其頂板早已損傷破壞，工作面圍巖應力環境與單一煤層開采相比發生較大改變，開采時經常發生片幫冒頂等事故，巷道維護困難。

1 黃白茨礦近距離采面地質概況

1.1 煤層賦存狀況

黃白茨煤礦1016工作面開采10號煤層，煤層傾角6°，10號煤層厚1.59～2.11m，平均1.85m，煤層結構較為復雜，夾矸厚度變化較大，巖性為泥巖，煤層頂部有較多黃鐵礦結核，局部有沖蝕現象，煤層內生裂隙發育，易產生片幫。

1.2 層間關系

10號煤層和9號煤層間距非常小，僅為1.28m左右。1016工作面處于9號煤層采空區下，上位9號煤層中0916工作面和0918工作面開采時形成了寬度約為14m的兩側采空的窄煤柱，如圖1所示。

圖1 1016工作面及上方采空區位置

1016工作面采用綜合機械化采煤，走向長壁后退式回采方法，頂板為全部自然垮落。工作面上方頂板為黏土巖，且局部為再生頂，特別破碎，嚴重影響到工作面的推進速度和工作面巷道的維護。在工作面回采期間經常發生漏頂事故，因此，研究該近距離煤層開采時片幫冒頂原因及防漏頂技術具有重要意義。

2 上煤層對下煤層的影響范圍計算

上層煤開采時對下層煤的頂板產生了擾動，其向下破壞范圍可根據滑移線場理論進行評估，破壞范圍為一對數螺旋線［2］，如圖2所示。過渡區的兩組滑移線所夾銳角為90°－φ，則與輻射直線相交的那組滑移線滿足，即有

圖2 近距離煤層影響范圍

為了計算上工作面回采時支承壓力對底板的屈服破壞深度，如圖3所示建立模型。

圖3 支承壓力所形成的底板屈服破壞深度

底板最大屈服破壞深度hmax按下式求得［4］:

即 tanφf=

根據極限平衡理論獲得的煤壁塑性區寬度x0為［4］

由上兩式確定上部煤層開采時底板巖層最大屈服破壞深度hmax，即采場底板損傷深度

式中，M為煤層開采深度，取236m;k為應力集中系數，實測3.2;γ為采場上覆巖層的平均密度，2430kg/m3;H為煤層埋藏深度，630mm;C為煤體的黏聚力，2.9MPa;φ為煤體的內摩擦角，48°;f為煤層與頂底板接觸面摩擦系數，0.33;ξ為三軸應力系數，=5.6;pi為支架對頂板的支護阻力，1.2MPa;φf為底板巖層內摩擦角，56°。

按上述公式計算可得最大塑性破壞深度為2.23m，可知上位9號煤層開采后在支承壓力作用下，下位10號煤層主要在Ⅱ區范圍內，當Ⅰ區巖體在應力集中作用下超過極限強度，必將力傳遞至Ⅱ區，Ⅱ區巖體受到擠壓后膨脹，且主要表現為水平方向膨脹位移，因此10號煤層開采時，煤壁受到水平推力作用為主，更容易產生片幫現象。

3 工作面片幫冒頂原因分析

在開采下位10號煤層時，除上述圍巖應力變化原因更容易造成片幫現象以外，還有如下幾方面原因:

(1)直接頂構成狀況差 1016工作面直接頂為黑色泥質結構，厚1.28m左右，塊狀構造，成分主要為泥巖，自身巖性強度低，加上受到9號煤層采動時對底板的影響，造成10號煤層頂板更為破碎，隨采隨冒，完全不能形成板式結構，煤壁稍有片幫即造成架前頂板大范圍冒頂，無法控制。

(2)上位煤柱的應力集中作用 1016工作面上方為0916和0918兩個工作面的老采空區，這兩個采空區中間曾留設13m寬的煤柱，煤柱下方應力集中更為明顯，對下部1016工作面頂板和煤壁造成較為嚴重的破壞，經計算該煤柱正好處于1016工作面中部62～77號支架的上方，觀測發現，1016面煤壁片幫也多發生在60～80號支架處，其他位置很少發生片幫。

(3)頂部采動時對底板的破壞 0916和0918工作面回采時，使用長壁綜合機械化方式進行，液壓支架和工作面煤壁集中應力對底板造成的破壞很大，再加上10號煤層原生裂隙發育、結構復雜，更加造成了1016工作面頂板的破碎，煤壁疏松。

4 利用綜合措施預防片幫冒頂

預計到了10號煤層在回采過程中會有嚴重片幫冒頂事故，因此采取了預防為主的多種手段，主要包括如下幾個方面:

(1)以護為主、及時移架 1016工作面頂板非常破碎，壓力較小，因此1016工作面頂板控制的關鍵不是“支”，而是“護”。工作面采煤機截深為630mm，端面距為250mm左右，支架的伸縮梁行程為800mm，采煤機割過后及時伸出伸縮梁基本可以抵到煤壁，能夠有效防止頂板漏頂。因此，采煤機上滾筒割過后將支架的伸縮梁及時伸出護住頂板，支架工隨后及時跟機移架。

(2)選擇合理的進刀位置 1016工作面的中部壓力比工作面其他位置大，片幫也多發生在工作面中部。由于采煤機斜切進刀過程中在斜切段空頂時間較長，因此，避免在工作面中部斜切進刀，應選擇壓力小不易片幫段進刀。

(3)降低支架頂梁仰角 根據現場觀測統計，支架頂梁平均仰角 11.2°，伸縮梁的行程為800mm，當伸縮梁全部伸出時頂梁會插入頂板150mm。由于支架頂梁傾角的存在，伸縮梁伸出時經常遇阻，支架工不得不降低支架的高度，這樣不僅對頂板進行了一次擾動，而且增加了打伸縮梁的耗時，不利于工作面的及時護頂。為此，支架工注意調節平衡千斤頂的使用，使支架頂梁傾角控制在±5°以內時，效果較好。

(4)發揮平衡千斤頂的調節作用 1016工作面頂板非常破碎，移架后應對平衡千斤頂打壓以使支架的支撐合力作用點前移，提高頂梁對前端頂板的承載能力，使端面頂板能夠保持較高的黏聚力，有利于端面頂板的穩定。當支架出現“抬頭”或“栽頭”現象時應通過調整平衡千斤頂的受力改變頂梁的傾角，使支架保持穩定的工況。

(5)安排專人維護支架 建立液壓支架臺帳，根據在線礦壓監測系統，每天都有專人分析支架的跑冒滴漏現象，做好日常的維護工作，并將工作面液壓支架使用的工況分別登記以備查詢，每天機電維修工都必須利用檢修時間進行例行檢查，將每臺液壓支架的工況狀態和零件的更換情況進行統計，以保證液壓支架的正常使用。

5 片幫冒頂的處理

前述措施能夠很好地預防近距離煤層的片幫冒頂事故，一旦煤壁側出現片幫及漏頂時，可采用以下有針對性的技術處理措施:

(1)小范圍的片幫冒頂 當片幫冒頂范圍不大時，可先把支架移到位，清理懸巖危矸，鋪設人工假頂，即在頂梁上方架“#”型木垛，但需設專人監護安全。木垛走向要求半圓木的一端頂到煤壁，木垛最下一層的半圓木兩端要分別搭在相鄰兩支架頂梁上，并與頂梁方向垂直。移架時要求同一個木垛下的支架交替前移，移架時采用帶壓移架的方式、少降快移，盡量使木垛形態完整。

(2)大范圍的片幫冒頂 當工作面回采過程中遇到頂板大范圍冒漏或遇到頂板極破碎區域時，則需要對頂板實施注漿加固措施，注漿鉆孔的布置方式按工作面推進過程中，所遇頂板破碎區的大小和破碎程度具體設計。

上述預防及處理措施使10號煤層開采過程中的片幫冒頂事故大大減少，與以往相鄰工作面比較，片幫冒頂事故從63次減少到0次，回采時間節省了近3個月，保證了工作面正常生產。

6 結束語

黃白茨煤礦10號煤層以往工作面在開采時，經常遇到片幫冒頂事故，通過本文中的綜合治理措施，使采煤機前滾筒割過頂煤后，即及時伸出伸縮梁護住頂板，回采時盡量降低頂梁仰角，保證支架的初撐力等，使下位煤層的1016工作面得到了順利安全回采，取得了較好的經濟效益。

［1］康永華，黃福昌，席京德.綜采重復開采的覆巖破壞規律［J］.煤炭科學技術，2001，29(1):22－24.

［2］付國彬，洪允和，緩傾斜工作面的底板破壞區 ［J］.礦山壓力與頂板管理，1992(1):62－66.

［3］張金才，劉天泉.論煤層底板采動裂隙帶的深度及分布特征［J］.煤炭學報，1990，15(2):46－55.

［4］朱衛兵.淺埋近距離煤層重復采動關鍵層結構失穩機理研究［D］.徐州:中國礦業大學，2011.

［5］張百勝.極近距離煤層開采圍巖控制理論及技術研究［D］.山西:太原理工大學博士論文，2008.

［6］范士斌.近距離破碎頂板綜采面片幫冒頂治理技術［J］.山東煤炭科技，2006(1).