大采高工作面松軟煤層片幫、冒頂治理措施應(yīng)用研究

張曉軍

（山西沁和能源集團(tuán)南凹寺煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

南凹寺煤業(yè)主采3#煤層，煤質(zhì)松軟，特別是受構(gòu)造影響區(qū)域煤層及頂?shù)装甯鼮槠扑?，工作面回采過程中經(jīng)常出現(xiàn)片幫、冒頂?shù)那闆r。當(dāng)工作面煤壁發(fā)生片幫、冒頂情況時(shí)，會(huì)使該區(qū)域控頂距增加，冒頂現(xiàn)象加劇[1-3]，同時(shí)使液壓支架受力不均衡，影響綜采設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)礦井正常生產(chǎn)帶來不利影響。因此，以該礦30401 工作面為工程基礎(chǔ)，對(duì)影響煤壁穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析，提出有效治理措施，對(duì)保證工作面穩(wěn)定生產(chǎn)具有重要意義。

1 工作面概況

南凹寺煤業(yè)30401 工作面為傾斜長(zhǎng)壁回采工作面，采用綜采回采工藝，全部垮落法管理頂板。工作面傾向長(zhǎng)度755 m，走向長(zhǎng)度145 m，主采3#煤層。煤層厚度3.14～6.93 m，平均為5.25 m，傾角2～12°，平均6°。煤層內(nèi)偶見1 層砂質(zhì)泥巖夾矸，煤層賦存較穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。該工作面煤層直接頂板為4.8 m 砂質(zhì)泥巖，基本頂為11.1 m 細(xì)砂巖，基本底為2.6 m 細(xì)砂巖。該工作面煤體的抗壓強(qiáng)度較低，煤層質(zhì)地松軟，工作面回采范圍內(nèi)節(jié)理裂隙較發(fā)育，存在眾多小型斷層，對(duì)煤層穩(wěn)定性有較大影響。

通過在工作面回采過程中對(duì)煤層礦壓顯現(xiàn)情況進(jìn)行觀察，工作面在初始回采階段，片幫現(xiàn)象不嚴(yán)重，片幫深度不足1.5 m，高度在0.9～1.4 m 之間，且片幫現(xiàn)象僅出現(xiàn)在工作面中上部。當(dāng)工作面周期來壓時(shí)，片幫現(xiàn)象明顯增加，全工作面均出現(xiàn)片幫情況，片幫高度1.8～2.3 m 之間，局部片幫深度超過2 m。在30401 工作面回采初期，由于斷層的影響，導(dǎo)致頂板局部出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，但頂板總體的完整性較好。隨著工作面回采長(zhǎng)度的增加，機(jī)頭位置冒頂情況嚴(yán)重，且冒頂體積較大，對(duì)工作面正?；夭僧a(chǎn)生嚴(yán)重影響。

2 工作面片幫、冒頂影響因素分析

在工作面回采一定距離后會(huì)造成直接頂板的垮落，當(dāng)回采距離達(dá)到初次來壓步距后，基本頂垮落，工作面周圍煤巖體應(yīng)力平衡被打破，使圍巖應(yīng)力發(fā)生變化，形成超前支承應(yīng)力。當(dāng)煤壁所受超前支承應(yīng)力大于自身的抗壓強(qiáng)度后，煤體將受到破壞，頂板裂隙發(fā)育穩(wěn)定性下降。特別對(duì)于松軟煤層而言，其煤體本身比較破碎，承載性能較差，在工作面回采動(dòng)壓的影響下，煤體容易遭到破壞，導(dǎo)致工作面煤壁產(chǎn)生嚴(yán)重片幫和冒頂情況。

2.1 煤壁片幫原因分析

（1）煤體結(jié)構(gòu)分析

該礦位于向斜一翼，受層間滑動(dòng)影響造成煤質(zhì)松軟[4]。30401 工作面由于受到局部構(gòu)造影響，回采范圍內(nèi)的煤體節(jié)理裂隙較發(fā)育。利用TYGD10 鉆孔窺視儀對(duì)煤層內(nèi)部裂隙發(fā)育情況進(jìn)行窺視可知：煤體內(nèi)的裂隙主要為垂直裂隙，局部裂隙貫穿長(zhǎng)度較大，破壞了煤體在水平方向上的連續(xù)性，產(chǎn)生薄弱面，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)工作面回采至裂隙位置時(shí)，煤體薄弱面受采動(dòng)影響容易發(fā)生片幫現(xiàn)象。煤體裂隙窺視情況如圖1 所示。

圖1 鉆孔窺視圖

（2）煤壁超前支承應(yīng)力分析

工作面在回采過程中，四周應(yīng)力分布情況如圖2 所示。超前工作面區(qū)域所受應(yīng)力升高，煤壁出現(xiàn)應(yīng)力集中情況，特別是在工作面發(fā)生周期來壓時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯。在工作面移架時(shí)，液壓支架高度降低，此時(shí)頂板失去支撐發(fā)生下沉，使煤壁所受應(yīng)力進(jìn)一步增加。由于煤體的承載能力較差，疊加裂隙發(fā)育，容易造成煤壁受到破壞發(fā)生片幫。通過對(duì)工作面礦壓進(jìn)行觀測(cè)，煤壁大規(guī)模片幫現(xiàn)象主要發(fā)生在工作面周期來壓之后，且片幫體積較大，片幫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

（3）開采工藝分析

在工作面回采過程中，采煤機(jī)的前滾筒回采高度為3 m，沿煤層底板截割，剩余2.25 m 頂煤進(jìn)行放頂，導(dǎo)致煤壁形狀不規(guī)則，液壓支架的護(hù)幫板不能對(duì)煤壁起到良好的支撐作用，在移架時(shí)會(huì)出現(xiàn)空頂現(xiàn)象，煤壁荷載增加，易產(chǎn)生片幫。

圖2 工作面支承應(yīng)力分布圖

（4）工作面回采高度分析

在工作面回采過程中對(duì)煤壁片幫情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。由表1 可知，當(dāng)回采高度超過4.5 m 時(shí)，片幫現(xiàn)象比較嚴(yán)重。因?yàn)楫?dāng)采高增加時(shí)，實(shí)體煤所承受的頂板荷載更大，且由于煤層松軟，在工作面回采動(dòng)壓影響下，煤體次生裂隙較發(fā)育，易導(dǎo)致片幫情況。

表1 煤厚與片幫情況關(guān)系表

2.2 工作面冒頂因素分析

在工作面回采過程中，冒頂現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致冒頂?shù)闹饕驗(yàn)槠瑤汀⒌刭|(zhì)構(gòu)造和煤層采高過大三個(gè)方面。

（1）片幫對(duì)冒頂?shù)挠绊懛治觥Ｔ诠ぷ髅婷罕诎l(fā)生片幫時(shí)，頂板控頂距增加，使液壓支架不能對(duì)空頂區(qū)域及時(shí)進(jìn)行支撐，容易發(fā)生冒頂。工作面冒頂事件常常發(fā)生在片幫之后，片幫與冒頂存在一定因果關(guān)系，且具有時(shí)間聯(lián)系。

（2）地質(zhì)構(gòu)造對(duì)冒頂?shù)挠绊懛治觥?0401 工作面在回采過程中會(huì)經(jīng)常遇到小型斷層，受到斷層的影響，該區(qū)域煤層頂板往往比較破碎。根據(jù)工作面地質(zhì)情況，在距切眼140 m 處存在兩條斷層，落差分別為0.9 m 和1.3 m。對(duì)工作面冒頂情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在回采通過斷層期間，冒頂情況較為嚴(yán)重，冒落高度最大為3.3 m。所以斷層對(duì)片幫的影響作用比較明顯。

（3）采高對(duì)冒頂?shù)挠绊懛治觥?0401 工作面在回采期間，回采高度變化很大，在機(jī)尾處變化最大。對(duì)回采高度進(jìn)行測(cè)量，該工作面最小回采高度為3.9 m，最大回采開采達(dá)到6.6 m。受到采高變化的影響，需在移架時(shí)不斷調(diào)整液壓支架的高度，加劇頂板的破碎程度，使其穩(wěn)定性下降，同時(shí)增加移架時(shí)間，使空頂時(shí)間變長(zhǎng)，導(dǎo)致頂板失去支撐而易出現(xiàn)冒頂。

3 片幫、冒頂治理方案

通過對(duì)工作面片幫、冒頂致因的分析，結(jié)合30401 工作面實(shí)際地質(zhì)條件，提出如下治理措施：

（1）在工作面回采期間，對(duì)片幫、冒頂嚴(yán)重區(qū)域打木錨桿，對(duì)煤壁加強(qiáng)支護(hù)；同時(shí)優(yōu)化割煤方式，采用雙滾筒割煤，前后滾筒分別割頂?shù)酌海乐钩霈F(xiàn)懸掛煤體，改善煤體的受力狀態(tài)；及時(shí)打開支架護(hù)幫板對(duì)煤壁進(jìn)行支護(hù)，減少空頂長(zhǎng)度和時(shí)間。

（2）對(duì)頂板進(jìn)行超前注漿加固。注漿材料為水泥，水灰比1:1。由于機(jī)尾處的冒頂現(xiàn)象最為嚴(yán)重，因此選擇在工作面回風(fēng)巷對(duì)易冒頂區(qū)域進(jìn)行超前注漿。注漿鉆孔深度5 m，直徑42 mm，與水平夾角為30～40°，注漿鉆孔間、排距2.5 m。鉆孔布置圖如圖3 所示。

圖3 注漿孔布置斷面圖

（3）在工作面回采期間，若煤層頂板凹凸不平且煤壁出現(xiàn)片幫時(shí)，對(duì)頂板進(jìn)行二次支護(hù)，在“凹入點(diǎn)”施工錨索或利用木垛支撐，減少空頂現(xiàn)象發(fā)生。

（4）對(duì)超前工作面煤層厚度進(jìn)行預(yù)測(cè)，掌握煤層厚度變化情況，并嚴(yán)格控制液壓支架高度。當(dāng)回采煤厚較大時(shí)，可適當(dāng)降低回采高度，以防煤厚突然減小時(shí)出現(xiàn)支架前移困難現(xiàn)象。

4 效果

在制定針對(duì)煤壁片幫和冒頂相應(yīng)的治理方案后，在30401 工作面進(jìn)行治理前后片幫、冒頂情況統(tǒng)計(jì)，如圖4 所示。由圖4 可知，在采取治理措施之后，工作面片幫、冒頂情況明顯減輕，治理后出現(xiàn)片幫的體積均未超過2 m3，工作面煤壁穩(wěn)定性得到提高，煤壁處控頂距得到控制，避免了液壓支架受力不均衡情況的發(fā)生。工作面每個(gè)生產(chǎn)班割煤刀數(shù)由治理前的3 刀提高到5 刀，實(shí)現(xiàn)工作面的安全高效回采，提高回采效率及資源回收率。

圖4 治理前后片幫體積對(duì)比

5 結(jié)論

（1）對(duì)30401 工作面片幫、冒頂致因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，影響片幫的主要因素為煤體結(jié)構(gòu)、超前支承應(yīng)力、回采工藝和回采高度等；影響冒頂?shù)闹饕蛩貫槠瑤?、斷層和回采高度等?/p>

（2）制定30401 工作面片幫、冒頂?shù)闹卫矸桨?。加?qiáng)煤壁支護(hù)，優(yōu)化割煤方式，對(duì)片幫、冒頂區(qū)域進(jìn)行超前注漿加固，并針對(duì)頂板凹凸不平和回采高度變化采取相應(yīng)的處理措施。

（3）通過對(duì)30401 工作面片幫、冒頂采取治理措施的效果統(tǒng)計(jì)分析，工作面片幫、冒頂情況明顯減輕，證明該治理方案對(duì)大采高、裂隙發(fā)育的松軟煤層能夠起到較好的控制作用，減少片幫、冒頂現(xiàn)象，提高工作面生產(chǎn)效率。