李亞軍

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 陽(yáng)泉有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

大采高工作面片幫冒頂機(jī)理及防治技術(shù)

李亞軍

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 陽(yáng)泉有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

基于上社煤礦大采高工作面回采過(guò)程中出現(xiàn)的煤壁片幫端面冒頂事故，結(jié)合該礦煤層自身?xiàng)l件，探討了煤壁附近采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的變化情況，初步找出了煤壁片幫冒頂?shù)臋C(jī)理，同時(shí)將采煤面整體受壓視為“支架與煤壁組合體”，以短粗壓桿公式計(jì)算了采高、撓度、片幫深度三者之間的關(guān)系。采用改進(jìn)支架前探梁方式補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、高應(yīng)力地段降刀割煤減少煤壁撓度、復(fù)雜條件下預(yù)注化學(xué)漿提高煤體完整度等方法，控制煤壁片幫深度，從而減少了端面冒頂事故的發(fā)生。

大采高；片幫冒頂；防治方法

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我國(guó)大采高采煤技術(shù)日趨成熟，但從采煤現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，隨著大采高煤層高度的增加，煤壁片幫冒頂事故隨之增加，特別是在受構(gòu)造的高應(yīng)力地段，片幫冒頂現(xiàn)象尤為突出，致使工作面頂板惡化，管理難度加大，嚴(yán)重制約了工作面的生產(chǎn)，同時(shí)，高冒落的煤巖塊，還有可能砸壞設(shè)備或傷及生產(chǎn)人員，給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。片幫冒頂制約了大采高綜采工作面安全高效開(kāi)采,國(guó)內(nèi)對(duì)大采高綜采工作面片幫加劇機(jī)理進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)影響工作面片幫的因素有采高、內(nèi)摩擦角等,運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究了不同采高下的煤壁片幫條件及臨界護(hù)幫長(zhǎng)度,并結(jié)合神東礦區(qū)的煤層條件,提出提高支架前端的護(hù)幫力、支架初撐力和前端支頂力,增加護(hù)幫的長(zhǎng)度等控制大采高綜采工作面片幫的6種措施[1]。

模擬結(jié)果表明,增大割煤高度,首先是增大了煤壁無(wú)水平約束空間,加劇煤壁的變形和破壞,導(dǎo)致煤壁片幫,而煤壁片幫又加大了支架與煤壁間的無(wú)支護(hù)面積,使端面頂煤的變形加劇,從而誘發(fā)架前冒頂,割煤高度對(duì)煤壁片幫的影響更為明顯,現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)也同樣驗(yàn)證了以上結(jié)論[2]。

本文以上社煤礦過(guò)去大采高工作面多次發(fā)生的片幫冒頂事故為闡述對(duì)象，客觀地分析了大采高工作面片幫冒頂機(jī)理，重點(diǎn)提出了改進(jìn)支架前探梁，大采高支架采用前梁加伸縮梁方式，并帶二級(jí)護(hù)幫結(jié)構(gòu)，縮小端面距，使護(hù)幫板緊密接觸煤壁撓度位置，并保證二級(jí)護(hù)幫側(cè)壓不小于15MPa，加大煤壁最大撓度位置的側(cè)向受壓，進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，控制煤壁撓度段片幫的形成。并提出高應(yīng)力地段降刀割煤減少煤壁撓度，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際出發(fā)，預(yù)防大采高工作面煤壁片幫端面冒頂事故。

1 工程概況

上社煤礦井田面積12.4756km2，主采8號(hào)、9號(hào)、15號(hào)煤層，井田內(nèi)煤系地層呈走向南北、向西傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角9～12°，平均8°。

15106工作面走向長(zhǎng)5279.6m，傾向?qū)?03.2m，煤層厚3.13～6.52m，平均5.47m，煤層硬度f(wàn)=2～3，平均抗壓強(qiáng)度24.66MPa。煤層主裂隙方向近南北，內(nèi)部小斷層發(fā)育，次生裂隙較多，煤層頂板局部為砂巖泥巖復(fù)合型頂板?；夭蓵r(shí)工作面中部煤壁片幫現(xiàn)象嚴(yán)重，兩端頭次之，片幫區(qū)域煤壁上部呈楔形煤塊，長(zhǎng)1.2～3.4m，寬約1.2 m；中部呈矩形煤塊，長(zhǎng)2.2～4.7m，寬約0.5～1.3m。在工作面回采期間曾發(fā)生3次較大的端面冒頂事故，最大一次片幫長(zhǎng)度達(dá)34m，端面冒頂集中在工作面中部3個(gè)支架處，冒落的煤巖量達(dá)145m3，導(dǎo)致工作面停產(chǎn)。在恢復(fù)生產(chǎn)過(guò)程中，影響采煤工期13.2d，造成了嚴(yán)重的生產(chǎn)事故和經(jīng)濟(jì)損失。

2 工作面片幫冒頂機(jī)理分析

2.1 煤壁附近煤體采動(dòng)空間應(yīng)力分析

15106工作面開(kāi)采時(shí)，由于開(kāi)采擾動(dòng)影響，原巖應(yīng)力場(chǎng)和采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)疊加，導(dǎo)致工作面前方和巷道兩幫煤巖體內(nèi)應(yīng)力集中、應(yīng)變和圍巖位移，此時(shí)，工作面前方煤壁附近煤體將受到采動(dòng)應(yīng)力峰值KλH(K為應(yīng)力集中系數(shù)，取1.8；λ為側(cè)壓系數(shù)；H為單元體距地面的深度)和σ構(gòu)(σ構(gòu)為單元體所受的構(gòu)造應(yīng)力)的影響，工作面前方煤壁交匯應(yīng)力單元分解示意見(jiàn)圖1。

由圖1可知，在豎向受到地層的壓力可分解為σy，σx，σz3個(gè)應(yīng)力。

與y軸垂直的兩平面上，正應(yīng)力為σy=KγH=2.8～33.3MPa，切應(yīng)力為τy。與x軸垂直的兩平面上，正應(yīng)力為σx=λmaxKγH±σ構(gòu)(λmax為側(cè)壓系數(shù)取最大值)，切應(yīng)力為τx。此時(shí)煤壁附近煤體內(nèi)應(yīng)力面的受力大小，取決于應(yīng)力集中系數(shù)K、側(cè)壓系數(shù)λ，σ構(gòu)的大小及方向,側(cè)向受到地層應(yīng)力斜截面走向與煤壁垂直，側(cè)向受到地層應(yīng)力面傾向于工作面巷道，形成共軛交匯應(yīng)力面，在煤壁附近煤體內(nèi)形成相割裂隙，遇煤體內(nèi)生裂隙時(shí)，則加速發(fā)育程度，導(dǎo)致煤體破碎。

與z軸垂直的兩平面上，主應(yīng)力為單向正應(yīng)力σz=λKγH，此時(shí)，煤壁為自由面，抗壓強(qiáng)度較小，σzmin常沿煤層結(jié)構(gòu)弱面釋放，在煤壁附近煤體內(nèi)發(fā)育水平裂隙；在煤壁附近的煤體深處σzmin= 1.3～15.7MPa，應(yīng)力斜截面走向與煤壁平行，應(yīng)力面傾向于煤壁，形成采動(dòng)裂隙。根據(jù)庫(kù)侖-莫爾強(qiáng)度理論[3],巖體剪切破壞準(zhǔn)則可表示為：τz=c+σxtanφ，式中，c為煤體的黏聚力，MPa；σx為x軸向的應(yīng)力，MPa；φ為煤體的內(nèi)摩擦角；計(jì)算得τz=4.3～28.5MPa。

利用斜直線型強(qiáng)度包絡(luò)線求得煤壁剪切破壞面與最大主平面的夾角為α=45°+φ/2，此時(shí)垂直應(yīng)力(σz)將向煤壁側(cè)沿面釋放，造成煤壁片幫，當(dāng)片幫深度達(dá)到一定值時(shí)，采動(dòng)應(yīng)力峰值KγH在端面釋放，造成端面冒頂事故的發(fā)生。

2.2 工作面煤壁破斷點(diǎn)計(jì)算

簡(jiǎn)化采煤工作面力學(xué)模型，可采用壓桿理論分析整個(gè)工作面受壓情況，根據(jù)壓桿的不同條件來(lái)確定工作面相應(yīng)的臨界力，是解決壓桿穩(wěn)定問(wèn)題的關(guān)鍵。依照實(shí)際建立采煤工作面為一端鉸支另一端固定支座，取μ=0.7(μ為與支承情況有關(guān)的長(zhǎng)度系數(shù))，將采煤工作面支架與煤壁組合體控頂距視為矩型截面，則壓桿的截面寬b最大控頂距=6.117m，b最小控頂距=5.317m，高h(yuǎn)=6.3m，求得慣性半徑：

式中，I為壓桿橫截面對(duì)中性軸的慣性矩，m4；A為壓桿的橫截面面積，m2。

i最大=1.77m，b最小=1.54m。柔度λ=μl/i=0.7l/i，λ最大=2.49，λ最小=2.86，則柔度λ小于最小柔度極限值λs，近似為短粗桿，則煤壁最大撓度在ω=0.7l/2=2.205m處。分析此時(shí)煤壁受力情況，得出煤壁中上部片幫深度B=0.35ltan(45°-φ/2)m。采高與片幫深度關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 工作面采高與片幫深度關(guān)系

由上表可以看出，隨著工作面采高的增加，煤壁片幫預(yù)裂深度逐漸加大，也就是說(shuō)片幫煤體自重力在爭(zhēng)脫頂板和裂隙面的黏結(jié)力不斷加大，那么，只要在工作面煤壁撓度段加大側(cè)向壓力，煤壁的片幫預(yù)裂深度就能減小，煤體自重就能減輕，因此，只要有效地控制了煤壁的片幫，就能消除端面冒頂?shù)恼T發(fā)因素。

3 防治方法

通過(guò)理論分析大采高工作面因?yàn)楣ぷ髅嫫瑤投鹈绊數(shù)睦碚撘罁?jù)，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相結(jié)合，采取了以下措施防止大采高工作面片幫冒頂事故。

(1)改進(jìn)支架前探梁，采用支架前梁加伸縮梁方式，并帶二級(jí)護(hù)幫結(jié)構(gòu)，縮小端面距，使護(hù)幫板緊密接觸煤壁撓度位置，并保證二級(jí)護(hù)幫側(cè)壓不小于15MPa，加大煤壁最大撓度位置的側(cè)向受壓，進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，控制煤壁撓度段片幫的形成。

(2)遇到煤層復(fù)合頂板或構(gòu)造應(yīng)力集中地段時(shí)，構(gòu)造力隨采動(dòng)應(yīng)力釋放，工作面聽(tīng)到“嘭嘭”聲時(shí)，采煤機(jī)割煤過(guò)程中前滾筒要降刀割過(guò)，以減小采動(dòng)對(duì)煤壁撓度段的干擾力，采煤機(jī)割過(guò)后，要及時(shí)支打護(hù)幫板，增大煤壁的側(cè)向受壓。

(3)保證支架初撐力不小于8000kN，割煤時(shí)實(shí)行雙向鄰架自動(dòng)順序控制，追機(jī)移架，移架采用“帶壓擦頂移架法”，移動(dòng)時(shí)要一步到位，避免二次降架，在“支架與煤壁組合體”內(nèi)通過(guò)頂板“建梁”的作用傳遞給煤壁上方，減輕對(duì)煤壁上方的壓力。

(4)遇到復(fù)合頂板有大量的磨擦鏡面時(shí)，頂板泥巖較為破碎，端面掉渣嚴(yán)重時(shí)，工作面應(yīng)留0.7m厚的頂煤托頂推過(guò)；若煤壁片幫、端面掉渣現(xiàn)象不斷加劇，應(yīng)立即停止生產(chǎn)，加強(qiáng)頂幫支護(hù)后，對(duì)頂板及煤壁進(jìn)行超前預(yù)注化學(xué)漿，以提高頂板和煤壁的整體性及強(qiáng)度。

4 結(jié)論

上社煤礦采用改進(jìn)支架前探梁方式補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、高應(yīng)力地段降刀割煤減少煤壁撓度，控制煤壁片幫深度，減少了端面冒頂事故的發(fā)生，保證了礦井的安全生產(chǎn)。在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)塊內(nèi)推進(jìn)時(shí)，日產(chǎn)量達(dá)14520t，實(shí)現(xiàn)了大采高工作面高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的要求。

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[責(zé)任編輯：王興庫(kù)]

2013-12-23

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.032

李亞軍(1983-)，男，山西大同人，采煤工程師，現(xiàn)從事煤礦現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理工作。

李亞軍.大采高工作面片幫冒頂機(jī)理及防治技術(shù)[J].煤礦開(kāi)采，2014，19(4)：106-107.

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1006-6225(2014)04-0106-02