綜放工作面停采期間片幫冒頂影響因素及防治技術研究

張寶軍　閆憲磊　吳瓊

摘要：文章以兗礦集團興隆莊煤礦7306綜放工作面為研究對象，針對7306工作面在停采期間頻發片幫冒頂這一問題進行了研究；分別從煤的物理性質、地質構造因素、外部圍巖應力環境、支架支護情況等方面進行分析，找出導致工作面片幫冒頂發生的影響因素；在此基礎上針對各個影響因素提出綜合治理措施。

關鍵詞：綜放工作面；停采期間；片幫冒頂；煤礦開采；煤層物理性質；地質構造 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD823 文章編號：1009-2374（2015）27-0162-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.083

1 概述

綜放工作面由于開采強度較大，端面片幫冒頂現象時有發生，它不僅會對人員安全造成威脅，還會破壞工作面的機器設備，影響正規循環作業的完成。因此，維護好工作面煤壁及頂板的穩定性是綜放工作面在安全生產的基礎上實現高產高效的重要課題。就目前來看，國內外許多專家針對綜放工作面回采期間的端面片幫，及其冒頂的機理和防治技術措施進行了研究，但對于綜放工作面在停采期間這一特殊時期內的片幫冒頂研究相對較少。本文以兗礦集團興隆莊煤礦7306綜放工作面為研究對象，對7306綜放在停采期間端面頻發片幫和冒頂現象的影響因素進行深入研究，并針對各個影響因素采取相應的切實有效的治理措施，為類似礦井在防治端面片幫冒頂現象提供理論支持和技術指導。

2 工作面概況

興隆莊煤礦7306綜放工作面煤層傾角3°～10°，平均7°，煤厚6.70～9.40m，平均8.58m。煤層普氏系數f在2.3左右，為軟～中等硬度煤層，頂底板情況如表1所示：

表1 煤層頂底板情況

工作面位于七采北部，東側以小廠一號斷層為界與東灘煤礦相鄰，西側停采線為5317和5318綜放工作面采空區，南側為7305綜放工作面采空區。工作面所采煤層為二疊系月門溝統山西組底部之3煤，以亮煤為主，含暗煤條帶，屬半亮型煤。采煤方法為傾斜長壁綜采放頂煤一次采全高全部陷落法，開采強度較大，工作面支架選用97組ZFS7200/20/40型正四連桿低位放頂煤液壓支架，在工作面軌順、運順端頭各配置3組排頭放頂煤支架，其型號為ZTF9000/22/38。7306工作面于2013年2月中旬開始停采，為工作面設備的撤出造條件。截至2月27號，距離停采線還有5.9m的距離，軌順距離5317采空區83.4m，運順距離5318采空區68.2m，如圖1所示：

3 工作面端面片幫冒頂的影響因素

自2月初開始，7306綜放工作面開始頻繁出現片幫冒頂，給工作面的停采撤面和設備的撤出條件帶來了很大的麻煩，現針對7306綜放工作面停采期間的煤壁片幫和冒頂的影響因素進行分析。

3.1 煤層的物理性質

根據地質勘探資料，7306綜放工作面開始的3煤為普氏系數f在2.3左右，為軟～中等硬度煤層。隨著煤層硬度的降低，不僅會引起煤體不連續面上粘聚力C和內摩擦系數tanf，還會增加不連續面的個數，產生節理裂隙的發育，進而產生片幫冒頂。從現場片幫和冒頂地方來看，基本都發生在煤層裂隙發育較多的地方。

3.2 地質構造因素影響

7306綜放工作面傾斜長臂布置，但為了停采后設備的順利撤出，必須要保證工作面的平直，故末采期間采用平推。因此，工作面煤壁底部切割底板巖層，值得注意的是，在工作面1#支架至56#支架的范圍內，工作面有一背斜構造，1#支架端前割底板巖層1.5m左右，30#～45#架之間全部割巖層，至56#架時割底板巖層0.5m，57#架子至機尾基本割底板均為0.4m左右。為了研究這一背斜構造對工作面停采期間的應力分布影響，采用數值模擬的手段進行分析，模擬參數見表2、圖2、圖3。

從數值模擬結果來看，該工作面背斜構造對垂直應力分布影響并不是很大，而對水平應力的分布有很大影響，特別是在巖層和煤層變化幅度大的地方尤為明顯。背斜導致水平應力在兩種不同介質變化的區域內分布不均，存在應力梯度，這就加重了裂隙的發育程度，從而引起煤壁的片幫和頂板的冒落。

3.3 外部應力環境

從7306工作面停采期間位置關系圖（圖4），我們可以看出，7306工作面停采期間可以看做一“孤島”煤柱。這就為工作面的片幫冒頂提供了一個大的高應力環境，致使工作面停采期間片幫冒頂頻發。

3.4 支架支護情況的影響

停采期間7306工作面由于大面積片幫頂煤，引起采空區后方大面積的冒頂，致使支架很難達到支架的保壓值，每天統計一次工作面1#至103#支架的末阻力，由于篇幅原因，截取兩次記錄數據進行分析，如圖4、圖5所示。

通過對支架壓力分布曲線中，總結出以下規律：（1）機頭、機尾附近支架末阻力較大，說明在機頭、機尾處的圍巖應力不論是垂直應力還是水平應力應力集中程度較高。且機頭附近支架壓力變化幅度較機尾小，說明在機頭附近的圍巖應力的集中程度要高于機尾附近。這是由于在機尾一側是7305采空區，受采空區影響導致應力集中，直接反映為支架末阻力增加；（2）工作面支架后立柱每隔一定的間距，連續10個左右支架前后支柱壓力均不保壓，說明工作面頂板上出現大面積空頂現象，特別是在背斜構造區域內反映得尤為明顯；（3）煤壁在支架末阻力較小區域內，片幫尤為嚴重，這是由于支架不能起到“支”的效果，上覆巖層的應力主要有煤壁承擔，當超過煤層的極限時，發生片幫冒頂現象。

在硬度較低的煤層開采，要充分考慮支架前傾角度對煤壁片幫的影響。在支架水平工作阻力較大的情況下，若是垂直工作阻力較小，在上覆巖層的壓力作用下，容易引起煤壁片幫，進而引起端面冒頂。同樣，如果只考慮垂直作用力，不考慮水平作用力，則易發生端面冒頂事故。從失穩過程來分析，軟煤煤壁穩定性較差，承載能力低，受力易發生塑性流動，變相增加了端面距，加上頂煤穩定性較差，支護無法阻止無支護空間內頂煤的塑性流變。對于軟煤層，要提高支護效果，關鍵是提高煤壁的穩定性，并縮小端面距。

3.5 回采因素的影響

7306停采期間，由于調面的要求，致使工作面很難保證勻速回采，并且空頂時間較長。另外，停采后要求工作面為撤出支架提供一定的空間，導致空頂面積較大，也是煤壁片幫冒頂的一個重要原因。

3.6 影響因素的綜合性分析

7306工作面停采期間頂板難于維護，頻繁出現煤壁大范圍片幫冒頂，是煤巖的物理性質、上覆巖層活動規律及圍巖應力分布、支架支護參數、地質構造、回采影響等因素的綜合體現。就興隆莊煤礦7306綜放工作面來分析，片幫冒頂頻發的原因在于：煤質較軟是內因，工作面受三個方向的采空區影響為片幫冒頂的發生提供了外部應力條件，長時間大面積空頂為片幫和冒頂提供了發育時間及空間，背斜構造加重了片幫冒頂發生的幾率和程度，支架未能提供足夠高的初撐力從而引起煤壁片幫冒頂的發生。

4 端面片幫冒頂的防治措施

針對7306綜放工作面停采期間片幫冒頂現象的頻發，在研究分析了影響因素的基礎上，提出了與之相對應的綜合治理措施。

4.1 煤壁注漿

針對工作面開采煤層較軟及裂隙的發育，在工作面煤壁一側注漿（固邦特），用以增大不連續面上的黏聚力內聚力系數，從根本上增強煤層自身的強度，減少片幫的發生幾率。

4.2 頂板架棚上網，打錨桿錨索聯合支護

停采期間對工作面頂板進行全面上網，在有冒頂的地方挑棚進行支護，在空頂的端面全部打錨桿錨索加鋼帶聯合支護，在煤壁一側采用單體支柱支護。從現場應用效果來看，基本控制住了煤壁片幫和冒頂的進一步惡化。

4.3 圍巖卸壓

針對工作面受采空區的導致應力集中的情況，對兩順槽進行打泄壓孔卸壓，釋放煤體及上覆巖層的壓力，一定程度上緩解了片幫冒頂的發生。

4.4 支架管理

在停采調面期間，嚴格要求支架規范操作，不僅要保證升架時間，達到規定的初撐力，還要保證支架有合適的仰俯角，使得支架提供的水平工作阻力和垂直工作阻力合理搭配，并盡量縮小端面距。

5 結語

綜放工作面煤壁片幫冒頂的發生，往往是由于多種因素共同作用的結果，應全面分析其影響因素，揭示出其發生機理和演化規律。在此基礎上，針對各個影響因素提出綜合治理措施，這樣才能在最大程度上減少片幫和冒頂的發生。

參考文獻

[1] 寧宇.大采高綜采煤壁片幫冒頂機理與控制技術[J].煤炭學報，2009，1（34）.

[2] 郝海金，張勇.大采高開采工作面煤壁穩定性隨機分析[J].遼寧工程技術大學學報，2005，（4）.

[3] 華心祝，謝廣祥.大采高綜采工作面煤壁片幫機理及控制技術[J].煤炭科學技術，2008，36（9）.

[4] 尹志坡.大采高綜采工作面煤壁片幫的分析與預防

[J].華北科技學院學報，2008，5（3）.

[5] 華心祝.傾斜長壁大采高綜采工作面圍巖控制機理研究[D].中國礦業大學（北京），2005.

[6] 劉洪偉，劉衛方.采煤工作面煤壁片幫影響因素研究[J].煤炭技術，2006，（10）.

[7] 宋朝陽.寺河礦大采高工作面煤壁片幫機理及防治措施[J].煤炭技術，2007，（4）.

作者簡介：張寶軍（1982-），男，山東臨朐人，兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦助理工程師。

（責任編輯：蔣建華）