水峪煤業厚煤層孤島綜放工作面端面煤巖體控制研究

李生亞

（汾西礦業集團水峪煤業 山西 孝義 032300）

隨著煤炭資源的不斷開采，我國各大礦區尤其是一些服務年限較長的礦區，資源開采工作逐漸面臨向深部煤層轉移、向邊角區域轉移，或者回采地質條件較差、鄰近工作面已回采完畢的孤島工作面甚至是進行復采回收工作，采掘工作更趨復雜，綜放開采的礦壓顯現也趨于明顯和劇烈，造成采掘工作面冒頂、片幫、設備損毀甚至人員傷亡，甚至可能引發瓦斯煤塵爆炸、沖擊地壓等嚴重災害，安全生產局面十分嚴峻[1-3]。汾西礦業集團水峪煤業6115綜放工作面，其兩側采空及上部9#煤層采空的地質生產條件，對工作面覆巖運移規律及礦壓顯現特征產生不利影響?；诰唧w地質生產條件及頂板控制難點，研究工作將綜合運用文獻查閱、理論分析、數值模擬及現場礦壓觀測等手段，對6115工作面的覆巖活動規律進行研究，得出厚煤層綜放開采強礦壓顯現條件下的頂板控制技術措施及端面煤巖體合理參數，為礦井安全生產工作提高保障系數。

1 工程概況

水峪煤業6115工作面開采太原組10+11#煤層，煤層結構復雜，煤層傾角2°～9°，平均傾角6°，上距9號煤層平均0.8 m，平均采深250 m～285 m。工作面有效推進長度1 320 m，工作面傾向長度160 m。工作面采煤機割煤高度為2.9 m。割煤高度確定后，在煤層平均總厚度（含矸石）為7.69 m（純煤7.48 m）的情況下，放頂煤高度為4.79 m，采放比為1：1.65。工作面可采儲量1.62 Mt，工作面生產能力為1.66 Mt/a，設計服務年限12個月。6115工作面共布置2條巷道，即6115工作面運輸順槽、6115材料順槽。工作面通風系統采用為一進一回的“U”型布置方式，工作面采用后退式開采。工作面采用ZF4000/14.5/29 型中部液壓支架、ZFG5300/16/30H 型過渡支架、ZPT8000/16/30 型排頭液壓支架。

6115工作面頂煤的冒放性較好，煤的硬度普氏系數f 值小于3，工作面內煤層產狀變化不大，煤層厚度穩定。井田內構造較簡單，工作面前半部分為一軸向南北的向斜構造，后半部分為一軸向南北的背斜構造，工作面回采范圍內斷層較發育，有三條逆斷層和一條正斷層，工作面直接頂為K2石灰巖，致密堅硬，據勘探中取樣試驗結果，抗壓強度變化很大，為25.20 MPa～78.90 MPa，老頂為泥巖，9#煤層底板為10#+11#煤層頂板，巖性為灰白色泥巖，平均厚度0.8 m，節理發育。底板為鋁質泥巖，局部為泥巖或炭質泥巖，生產中發現底鼓現象嚴重，遇水變軟膨脹。具體頂底板條件如表1所示。

表1 煤層頂底板特征表

2 6115工作面頂板控制難點分析

6115工作面地質生產條件較為特殊，該工作面北鄰6117采空區，東鄰旺家原村保安煤柱及六采區開拓大巷，南鄰6113采空區，西鄰茹萊村保安煤柱，為兩側采空的孤島工作面，工作面布置情況如圖1 所示。根據本礦井及周邊礦區類似工作面的回采工作經驗，6115工作面在回采期間面臨的頂板控制難點包括：

圖1 6115工作面布置圖

（1）兩側的6113 工作面及6117 工作面均已采空，兩采空區側向支承壓力均向本工作面集中并形成疊加，會造成回采期間頂板壓力較大，礦壓顯現較為強烈；

（2）6115 工作面頂部9#煤層已采空，局部留有煤柱，上部煤柱會對本工作回采形成應力集中，工作面過煤柱期間的頂板管理難度較大；

（3）工作面回采范圍內斷層較發育，主要影響是斷層附近頂板破碎，對采掘工作面頂板控制不利，回采時應加強頂板支護工作；

（4）工作面整體頂底板條件較差，老頂堅硬，但底板較軟，遇水易膨脹，回采過程中易發生煤壁片幫、端面冒頂，支架易出現錯茬、咬架、倒架現象，安全威脅較大，鄰近的6113工作面及6117工作面在回采期間均發生過嚴重倒架停產事故，應引起高度重視。

3 端面煤巖體穩定性影響因素分析

基于6115 工作面的具體地質生產條件及頂板控制難點，研究工作將綜合運用多種研究手段，對6115工作面的覆巖活動規律進行研究，結合現場實際礦壓觀測的統計分析結果，得出厚煤層綜放開采強礦壓顯現條件下的頂板控制技術措施。

3.1 工作面覆巖運移規律分析

6115綜放工作面直接頂為8 m厚的K2灰巖，隨采隨冒來充填采空區，工作面老頂為11 m 厚的泥巖，泥巖較軟弱，基本不具備承載性能，斷裂后無法形成具有承載能力的“砌體梁”結構，即無法作為頂板關鍵層，必須向更高的層位尋找具備承載性能的關鍵層，計算分析得到垮落帶高度大致是15.38 m～19.23 m，關鍵層破斷距約為40 m。水峪煤業10#+11#煤層，煤層結構復雜，夾矸層較多，內生裂隙較發育，礦井采掘過程中發現煤層較破碎，易塌落，冒頂片幫幾率較大，必須引起礦方采場管理的高度重視。

3.2 端面煤巖體穩定性影響因素模擬分析

（1）UDEC離散元程序廣泛應用于巖土工程領域，本礦井煤層為近水平煤層，在對現場實際地質生產狀況進行簡化和抽象的基礎上，設計數值模擬模型為水平模型，盡量規避無關因素的影響。選取工作面的推進方向（水平方向）為x 軸方向，豎直方向為y 軸方向，建立了200 m×75 m的計算模型，煤巖層實際厚度與地質柱狀圖參數保持一致。本文的模擬計算中，煤巖體和節理的物理、幾何參數是在現場的原巖參數的基礎上確定的，具體參數選取如表2、3 所示。模型建立后運算至初始平衡，然后分別進行模擬采掘工作。

表2 巖層力學參數

表3 節理力學參數

（2）端面距對端面煤巖體穩定性的影響。共制定7 個模擬方案，對應的端面距分別取0 m、0.25 m、0.5 m、0.75 m、1.0 m、1.25 m、1.5 m，模擬所得端面破壞參數與端面距關系如圖2 所示。端面距小于等于0.5 m 時，頂煤冒漏和煤壁片幫控制效果較好，當端面距大于0.5 m時，端面開始出現不同程度的片幫端面冒頂狀況?？芍嗣婷绊斊瑤涂刂茟M量保證端面距在0.5 m以下，在實際生產中應該控制支架梁端距不大于0.3 m。

圖2 端面破壞參數與端面距關系曲線

（3）支架工作阻力對端面煤巖體穩定性的影響。共制定6個方案，對應支架工作阻力分別取3 000 kN、4 000 kN、5 000 kN、6 000 kN、7 000 kN 和8 000 kN，模擬所得端面破壞參數、頂板下沉量與支架工作阻力的關系如圖3 所示。當支架工作阻力低于7 000 kN 時，綜放端面冒高和片幫參數均達到550 mm以上，端面煤巖體冒頂片幫較嚴重；但當支架工作阻力達到7 000 kN 及以上時，端面冒頂高度控制在250 mm 以內，煤壁片幫深度降到200 mm 以內，端面煤巖體得到較好控制。因此支架工作阻力應不低于7 000 kN。

圖3 端面破壞參數、頂板下沉量與支架工作阻力關系曲線

（4）支架前立柱走向傾角對端面煤巖體穩定性的影響。設計5 個模擬方案，對應支架前立柱走向傾角分別為79°、81°、83°、85°和87°，模擬所得端面破壞參數、頂板下沉量與支架前立柱走向傾角的關系如圖4所示。當支架前立柱走向傾角為83°時，端面控制效果良好；當支架前立柱走向傾角為85°和87°時，液壓支架能在豎直方向提供較高的支護力，但無法提供足夠的水平支護力；當支架前立柱走向傾角為79°和81°時，頂板下沉量較大，回采高度無法保證，且綜放端面出現輕微的煤壁片幫和頂煤冒漏狀況。綜上可知，當液壓支架前立柱走向傾角為83°時，綜放工作面端面煤巖體控制效果較好。

圖4 端面破壞參數、頂板下沉量與前立柱走向傾角曲線

4 工作面頂板控制技術實踐

制定6115綜放開采礦壓觀測方案，沿工作面均勻布置6個測站，進行了礦壓觀測共60天，記錄測站壓力表的數值隨工作面推進度的變化情況，從而分析工作面的來壓規律等，重點對4次周期來壓的來壓步距、礦壓顯現強度、支架工作阻力變化、端面冒頂片幫特征進行分析，周期來壓步距平均為15.9 m，周期來壓顯現較明顯，來壓先后順序為中上部先來壓，中下部及下部后來壓，常出現大范圍煤壁片幫，片幫深度大多在0.2 m～1.3 m范圍內，未引起嚴重冒頂事故。通過上下順槽的礦壓觀測發現，工作面超前支承壓力峰值出現在煤壁前方5 m～10 m 處，超前支承壓力影響區域在煤壁前方0 m～25 m 范圍內，對工作面上下順槽執行超前支護 30 m的距離是較為合理的。

5 結語

對于水峪煤業6115綜放工作面，其兩側采空及上部9#煤層采空的地質生產條件，對工作面覆巖運移規律及礦壓顯現特征產生不利影響?；谶@些難點工作，對6115綜放工作面覆巖運移規律及端面煤巖體破壞機理展開分析，進而借助UDEC數值模擬工具，模擬得出合理的控制參數指標：端面距控制在0.5 m以內，梁端距控制在0.3 m 以內，液壓支架工作阻力不低于7 000 kN，液壓支架前立柱走向傾角控制在83°附近。最后，制定6115 綜放工作面礦壓觀測方案，對工作面開展了為期60 d的礦壓觀測，統計并分析得出礦壓顯現規律，提出預防端面煤巖體冒頂片幫的實踐措施、加強工作面來壓期間及過斷層期間的頂板管理措施等，保障了礦井安全生產。