大采高工作面片帮冒顶机理及防治技术

李亚军

(山西煤炭运销集团 阳泉有限公司，山西 阳泉 045000)

大采高工作面片帮冒顶机理及防治技术

李亚军

(山西煤炭运销集团 阳泉有限公司，山西 阳泉 045000)

基于上社煤矿大采高工作面回采过程中出现的煤壁片帮端面冒顶事故，结合该矿煤层自身条件，探讨了煤壁附近采动应力场的变化情况，初步找出了煤壁片帮冒顶的机理，同时将采煤面整体受压视为“支架与煤壁组合体”，以短粗压杆公式计算了采高、挠度、片帮深度三者之间的关系。采用改进支架前探梁方式补强支护、高应力地段降刀割煤减少煤壁挠度、复杂条件下预注化学浆提高煤体完整度等方法，控制煤壁片帮深度，从而减少了端面冒顶事故的发生。

大采高；片帮冒顶；防治方法

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我国大采高采煤技术日趋成熟，但从采煤现场来看，随着大采高煤层高度的增加，煤壁片帮冒顶事故随之增加，特别是在受构造的高应力地段，片帮冒顶现象尤为突出，致使工作面顶板恶化，管理难度加大，严重制约了工作面的生产，同时，高冒落的煤岩块，还有可能砸坏设备或伤及生产人员，给矿井安全生产带来隐患。片帮冒顶制约了大采高综采工作面安全高效开采,国内对大采高综采工作面片帮加剧机理进行分析,发现影响工作面片帮的因素有采高、内摩擦角等,运用数值模拟的方法研究了不同采高下的煤壁片帮条件及临界护帮长度,并结合神东矿区的煤层条件,提出提高支架前端的护帮力、支架初撑力和前端支顶力,增加护帮的长度等控制大采高综采工作面片帮的6种措施[1]。

模拟结果表明,增大割煤高度,首先是增大了煤壁无水平约束空间,加剧煤壁的变形和破坏,导致煤壁片帮,而煤壁片帮又加大了支架与煤壁间的无支护面积,使端面顶煤的变形加剧,从而诱发架前冒顶,割煤高度对煤壁片帮的影响更为明显,现场观测也同样验证了以上结论[2]。

本文以上社煤矿过去大采高工作面多次发生的片帮冒顶事故为阐述对象，客观地分析了大采高工作面片帮冒顶机理，重点提出了改进支架前探梁，大采高支架采用前梁加伸缩梁方式，并带二级护帮结构，缩小端面距，使护帮板紧密接触煤壁挠度位置，并保证二级护帮侧压不小于15MPa，加大煤壁最大挠度位置的侧向受压，进行补强支护，控制煤壁挠度段片帮的形成。并提出高应力地段降刀割煤减少煤壁挠度，从现场实际出发，预防大采高工作面煤壁片帮端面冒顶事故。

1 工程概况

上社煤矿井田面积12.4756km2，主采8号、9号、15号煤层，井田内煤系地层呈走向南北、向西倾斜的单斜构造，地层倾角9～12°，平均8°。

15106工作面走向长5279.6m，倾向宽303.2m，煤层厚3.13～6.52m，平均5.47m，煤层硬度f=2～3，平均抗压强度24.66MPa。煤层主裂隙方向近南北，内部小断层发育，次生裂隙较多，煤层顶板局部为砂岩泥岩复合型顶板。回采时工作面中部煤壁片帮现象严重，两端头次之，片帮区域煤壁上部呈楔形煤块，长1.2～3.4m，宽约1.2 m；中部呈矩形煤块，长2.2～4.7m，宽约0.5～1.3m。在工作面回采期间曾发生3次较大的端面冒顶事故，最大一次片帮长度达34m，端面冒顶集中在工作面中部3个支架处，冒落的煤岩量达145m3，导致工作面停产。在恢复生产过程中，影响采煤工期13.2d，造成了严重的生产事故和经济损失。

2 工作面片帮冒顶机理分析

2.1 煤壁附近煤体采动空间应力分析

15106工作面开采时，由于开采扰动影响，原岩应力场和采动应力场叠加，导致工作面前方和巷道两帮煤岩体内应力集中、应变和围岩位移，此时，工作面前方煤壁附近煤体将受到采动应力峰值KλH(K为应力集中系数，取1.8；λ为侧压系数；H为单元体距地面的深度)和σ构(σ构为单元体所受的构造应力)的影响，工作面前方煤壁交汇应力单元分解示意见图1。

由图1可知，在竖向受到地层的压力可分解为σy，σx，σz3个应力。

与y轴垂直的两平面上，正应力为σy=KγH=2.8～33.3MPa，切应力为τy。与x轴垂直的两平面上，正应力为σx=λmaxKγH±σ构(λmax为侧压系数取最大值)，切应力为τx。此时煤壁附近煤体内应力面的受力大小，取决于应力集中系数K、侧压系数λ，σ构的大小及方向,侧向受到地层应力斜截面走向与煤壁垂直，侧向受到地层应力面倾向于工作面巷道，形成共轭交汇应力面，在煤壁附近煤体内形成相割裂隙，遇煤体内生裂隙时，则加速发育程度，导致煤体破碎。

与z轴垂直的两平面上，主应力为单向正应力σz=λKγH，此时，煤壁为自由面，抗压强度较小，σzmin常沿煤层结构弱面释放，在煤壁附近煤体内发育水平裂隙；在煤壁附近的煤体深处σzmin= 1.3～15.7MPa，应力斜截面走向与煤壁平行，应力面倾向于煤壁，形成采动裂隙。根据库仑-莫尔强度理论[3],岩体剪切破坏准则可表示为：τz=c+σxtanφ，式中，c为煤体的黏聚力，MPa；σx为x轴向的应力，MPa；φ为煤体的内摩擦角；计算得τz=4.3～28.5MPa。

利用斜直线型强度包络线求得煤壁剪切破坏面与最大主平面的夹角为α=45°+φ/2，此时垂直应力(σz)将向煤壁侧沿面释放，造成煤壁片帮，当片帮深度达到一定值时，采动应力峰值KγH在端面释放，造成端面冒顶事故的发生。

2.2 工作面煤壁破断点计算

简化采煤工作面力学模型，可采用压杆理论分析整个工作面受压情况，根据压杆的不同条件来确定工作面相应的临界力，是解决压杆稳定问题的关键。依照实际建立采煤工作面为一端铰支另一端固定支座，取μ=0.7(μ为与支承情况有关的长度系数)，将采煤工作面支架与煤壁组合体控顶距视为矩型截面，则压杆的截面宽b最大控顶距=6.117m，b最小控顶距=5.317m，高h=6.3m，求得惯性半径：

式中，I为压杆横截面对中性轴的惯性矩，m4；A为压杆的横截面面积，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，则柔度λ小于最小柔度极限值λs，近似为短粗杆，则煤壁最大挠度在ω=0.7l/2=2.205m处。分析此时煤壁受力情况，得出煤壁中上部片帮深度B=0.35ltan(45°-φ/2)m。采高与片帮深度关系见表1。

表1 工作面采高与片帮深度关系

由上表可以看出，随着工作面采高的增加，煤壁片帮预裂深度逐渐加大，也就是说片帮煤体自重力在争脱顶板和裂隙面的黏结力不断加大，那么，只要在工作面煤壁挠度段加大侧向压力，煤壁的片帮预裂深度就能减小，煤体自重就能减轻，因此，只要有效地控制了煤壁的片帮，就能消除端面冒顶的诱发因素。

3 防治方法

通过理论分析大采高工作面因为工作面片帮而引起冒顶的理论依据，并与现场实际情况相结合，采取了以下措施防止大采高工作面片帮冒顶事故。

(1)改进支架前探梁，采用支架前梁加伸缩梁方式，并带二级护帮结构，缩小端面距，使护帮板紧密接触煤壁挠度位置，并保证二级护帮侧压不小于15MPa，加大煤壁最大挠度位置的侧向受压，进行补强支护，控制煤壁挠度段片帮的形成。

(2)遇到煤层复合顶板或构造应力集中地段时，构造力随采动应力释放，工作面听到“嘭嘭”声时，采煤机割煤过程中前滚筒要降刀割过，以减小采动对煤壁挠度段的干扰力，采煤机割过后，要及时支打护帮板，增大煤壁的侧向受压。

(3)保证支架初撑力不小于8000kN，割煤时实行双向邻架自动顺序控制，追机移架，移架采用“带压擦顶移架法”，移动时要一步到位，避免二次降架，在“支架与煤壁组合体”内通过顶板“建梁”的作用传递给煤壁上方，减轻对煤壁上方的压力。

(4)遇到复合顶板有大量的磨擦镜面时，顶板泥岩较为破碎，端面掉渣严重时，工作面应留0.7m厚的顶煤托顶推过；若煤壁片帮、端面掉渣现象不断加剧，应立即停止生产，加强顶帮支护后，对顶板及煤壁进行超前预注化学浆，以提高顶板和煤壁的整体性及强度。

4 结论

上社煤矿采用改进支架前探梁方式补强支护、高应力地段降刀割煤减少煤壁挠度，控制煤壁片帮深度，减少了端面冒顶事故的发生，保证了矿井的安全生产。在构造复杂区块内推进时，日产量达14520t，实现了大采高工作面高产稳产的要求。

[1]闫少宏.大采高综放开采煤壁片帮冒顶机理与控制途径研究[J].煤矿开采，2008，13(4)：5-8.

[2]夏永学，康立军，齐庆新.割煤高度对大采高综放工作面煤壁稳定性影响[J].煤炭科学技术，2008(12)：1-2.

[3]曹允伟，王春城，陈 雄,等.煤矿开采方法[M].北京：煤炭工业出版社，2005.

[4]孟二存.梁北矿“三软”“双突”煤层5m大采高液压支架选型[J].煤矿开采，2007，12(6)：26-28.

[5]牛艳奇，陈树义，刘俊峰.大采高综采工作面片帮加剧机理分析及防治措施[J].煤炭科学技术，2010，38(7).

[6]陈加轩.大采高综采工作面围岩活动特征研究[J].煤矿开采，2009，14(5)：74-76.

[7]毛德兵，康立军.大采高综放开采及其应用可行性分析[J].煤矿开采，2003，8(1)：11-13.

[8] 郝存义，段 军.6m大采高综采面支架合理支护强度确定[J].煤矿开采，2010，15(6)：4-6.

[9]袁志刚.伯方煤矿综放及大采高综采可行性对比分析[J].煤矿开采，2011，16(4)：37-39.

[责任编辑：王兴库]

2013-12-23

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

李亚军(1983-)，男，山西大同人，采煤工程师，现从事煤矿现场技术管理工作。

李亚军.大采高工作面片帮冒顶机理及防治技术[J].煤矿开采，2014，19(4)：106-107.

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1006-6225(2014)04-0106-02