近距離煤層采空區(qū)下片幫冒頂控制技術(shù)

李志剛，高圣元，李春睿

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

近距離煤層開采可分為順序回采和聯(lián)合同采兩種，順序回采即先采完上一層煤后再回采下位煤層，而聯(lián)合同采一般是兩層煤保持一定的錯(cuò)距同時(shí)進(jìn)行回采［1］。黃白茨煤礦9號(hào)與10號(hào)煤層間距目前開采10號(hào)煤層的1016工作面，其上方9號(hào)煤層已于1年前回采完畢，屬于順序回采的近距離煤層。當(dāng)進(jìn)行近距離煤層開采時(shí)，根據(jù)層間距離的大小，其相互間的影響程度也不同。煤層間距較大時(shí)，上位煤層對(duì)下位煤層開采的影響程度很小，開采方式、礦壓、圍巖控制手段等基本不受上位煤層的制約，但當(dāng)兩煤層距離很近時(shí)，下位煤層在開采之前，其頂板早已損傷破壞，工作面圍巖應(yīng)力環(huán)境與單一煤層開采相比發(fā)生較大改變，開采時(shí)經(jīng)常發(fā)生片幫冒頂?shù)仁鹿?，巷道維護(hù)困難。

1 黃白茨礦近距離采面地質(zhì)概況

1.1 煤層賦存狀況

黃白茨煤礦1016工作面開采10號(hào)煤層，煤層傾角6°，10號(hào)煤層厚1.59～2.11m，平均1.85m，煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，夾矸厚度變化較大，巖性為泥巖，煤層頂部有較多黃鐵礦結(jié)核，局部有沖蝕現(xiàn)象，煤層內(nèi)生裂隙發(fā)育，易產(chǎn)生片幫。

1.2 層間關(guān)系

10號(hào)煤層和9號(hào)煤層間距非常小，僅為1.28m左右。1016工作面處于9號(hào)煤層采空區(qū)下，上位9號(hào)煤層中0916工作面和0918工作面開采時(shí)形成了寬度約為14m的兩側(cè)采空的窄煤柱，如圖1所示。

圖1 1016工作面及上方采空區(qū)位置

1016工作面采用綜合機(jī)械化采煤，走向長(zhǎng)壁后退式回采方法，頂板為全部自然垮落。工作面上方頂板為黏土巖，且局部為再生頂，特別破碎，嚴(yán)重影響到工作面的推進(jìn)速度和工作面巷道的維護(hù)。在工作面回采期間經(jīng)常發(fā)生漏頂事故，因此，研究該近距離煤層開采時(shí)片幫冒頂原因及防漏頂技術(shù)具有重要意義。

2 上煤層對(duì)下煤層的影響范圍計(jì)算

上層煤開采時(shí)對(duì)下層煤的頂板產(chǎn)生了擾動(dòng)，其向下破壞范圍可根據(jù)滑移線場(chǎng)理論進(jìn)行評(píng)估，破壞范圍為一對(duì)數(shù)螺旋線［2］，如圖2所示。過渡區(qū)的兩組滑移線所夾銳角為90°－φ，則與輻射直線相交的那組滑移線滿足，即有

圖2 近距離煤層影響范圍

為了計(jì)算上工作面回采時(shí)支承壓力對(duì)底板的屈服破壞深度，如圖3所示建立模型。

圖3 支承壓力所形成的底板屈服破壞深度

底板最大屈服破壞深度hmax按下式求得［4］:

即 tanφf=

根據(jù)極限平衡理論獲得的煤壁塑性區(qū)寬度x0為［4］

由上兩式確定上部煤層開采時(shí)底板巖層最大屈服破壞深度hmax，即采場(chǎng)底板損傷深度

式中，M為煤層開采深度，取236m;k為應(yīng)力集中系數(shù)，實(shí)測(cè)3.2;γ為采場(chǎng)上覆巖層的平均密度，2430kg/m3;H為煤層埋藏深度，630mm;C為煤體的黏聚力，2.9MPa;φ為煤體的內(nèi)摩擦角，48°;f為煤層與頂?shù)装褰佑|面摩擦系數(shù)，0.33;ξ為三軸應(yīng)力系數(shù)，=5.6;pi為支架對(duì)頂板的支護(hù)阻力，1.2MPa;φf為底板巖層內(nèi)摩擦角，56°。

按上述公式計(jì)算可得最大塑性破壞深度為2.23m，可知上位9號(hào)煤層開采后在支承壓力作用下，下位10號(hào)煤層主要在Ⅱ區(qū)范圍內(nèi)，當(dāng)Ⅰ區(qū)巖體在應(yīng)力集中作用下超過極限強(qiáng)度，必將力傳遞至Ⅱ區(qū)，Ⅱ區(qū)巖體受到擠壓后膨脹，且主要表現(xiàn)為水平方向膨脹位移，因此10號(hào)煤層開采時(shí)，煤壁受到水平推力作用為主，更容易產(chǎn)生片幫現(xiàn)象。

3 工作面片幫冒頂原因分析

在開采下位10號(hào)煤層時(shí)，除上述圍巖應(yīng)力變化原因更容易造成片幫現(xiàn)象以外，還有如下幾方面原因:

(1)直接頂構(gòu)成狀況差 1016工作面直接頂為黑色泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚1.28m左右，塊狀構(gòu)造，成分主要為泥巖，自身巖性強(qiáng)度低，加上受到9號(hào)煤層采動(dòng)時(shí)對(duì)底板的影響，造成10號(hào)煤層頂板更為破碎，隨采隨冒，完全不能形成板式結(jié)構(gòu)，煤壁稍有片幫即造成架前頂板大范圍冒頂，無(wú)法控制。

(2)上位煤柱的應(yīng)力集中作用 1016工作面上方為0916和0918兩個(gè)工作面的老采空區(qū)，這兩個(gè)采空區(qū)中間曾留設(shè)13m寬的煤柱，煤柱下方應(yīng)力集中更為明顯，對(duì)下部1016工作面頂板和煤壁造成較為嚴(yán)重的破壞，經(jīng)計(jì)算該煤柱正好處于1016工作面中部62～77號(hào)支架的上方，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，1016面煤壁片幫也多發(fā)生在60～80號(hào)支架處，其他位置很少發(fā)生片幫。

(3)頂部采動(dòng)時(shí)對(duì)底板的破壞 0916和0918工作面回采時(shí)，使用長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化方式進(jìn)行，液壓支架和工作面煤壁集中應(yīng)力對(duì)底板造成的破壞很大，再加上10號(hào)煤層原生裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更加造成了1016工作面頂板的破碎，煤壁疏松。

4 利用綜合措施預(yù)防片幫冒頂

預(yù)計(jì)到了10號(hào)煤層在回采過程中會(huì)有嚴(yán)重片幫冒頂事故，因此采取了預(yù)防為主的多種手段，主要包括如下幾個(gè)方面:

(1)以護(hù)為主、及時(shí)移架 1016工作面頂板非常破碎，壓力較小，因此1016工作面頂板控制的關(guān)鍵不是“支”，而是“護(hù)”。工作面采煤機(jī)截深為630mm，端面距為250mm左右，支架的伸縮梁行程為800mm，采煤機(jī)割過后及時(shí)伸出伸縮梁基本可以抵到煤壁，能夠有效防止頂板漏頂。因此，采煤機(jī)上滾筒割過后將支架的伸縮梁及時(shí)伸出護(hù)住頂板，支架工隨后及時(shí)跟機(jī)移架。

(2)選擇合理的進(jìn)刀位置 1016工作面的中部壓力比工作面其他位置大，片幫也多發(fā)生在工作面中部。由于采煤機(jī)斜切進(jìn)刀過程中在斜切段空頂時(shí)間較長(zhǎng)，因此，避免在工作面中部斜切進(jìn)刀，應(yīng)選擇壓力小不易片幫段進(jìn)刀。

(3)降低支架頂梁仰角 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，支架頂梁平均仰角 11.2°，伸縮梁的行程為800mm，當(dāng)伸縮梁全部伸出時(shí)頂梁會(huì)插入頂板150mm。由于支架頂梁傾角的存在，伸縮梁伸出時(shí)經(jīng)常遇阻，支架工不得不降低支架的高度，這樣不僅對(duì)頂板進(jìn)行了一次擾動(dòng)，而且增加了打伸縮梁的耗時(shí)，不利于工作面的及時(shí)護(hù)頂。為此，支架工注意調(diào)節(jié)平衡千斤頂?shù)氖褂?，使支架頂梁傾角控制在±5°以內(nèi)時(shí)，效果較好。

(4)發(fā)揮平衡千斤頂?shù)恼{(diào)節(jié)作用 1016工作面頂板非常破碎，移架后應(yīng)對(duì)平衡千斤頂打壓以使支架的支撐合力作用點(diǎn)前移，提高頂梁對(duì)前端頂板的承載能力，使端面頂板能夠保持較高的黏聚力，有利于端面頂板的穩(wěn)定。當(dāng)支架出現(xiàn)“抬頭”或“栽頭”現(xiàn)象時(shí)應(yīng)通過調(diào)整平衡千斤頂?shù)氖芰Ω淖冺斄旱膬A角，使支架保持穩(wěn)定的工況。

(5)安排專人維護(hù)支架 建立液壓支架臺(tái)帳，根據(jù)在線礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，每天都有專人分析支架的跑冒滴漏現(xiàn)象，做好日常的維護(hù)工作，并將工作面液壓支架使用的工況分別登記以備查詢，每天機(jī)電維修工都必須利用檢修時(shí)間進(jìn)行例行檢查，將每臺(tái)液壓支架的工況狀態(tài)和零件的更換情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以保證液壓支架的正常使用。

5 片幫冒頂?shù)奶幚?/h2>

前述措施能夠很好地預(yù)防近距離煤層的片幫冒頂事故，一旦煤壁側(cè)出現(xiàn)片幫及漏頂時(shí)，可采用以下有針對(duì)性的技術(shù)處理措施:

(1)小范圍的片幫冒頂 當(dāng)片幫冒頂范圍不大時(shí)，可先把支架移到位，清理懸?guī)r危矸，鋪設(shè)人工假頂，即在頂梁上方架“#”型木垛，但需設(shè)專人監(jiān)護(hù)安全。木垛走向要求半圓木的一端頂?shù)矫罕冢径庾钕乱粚拥陌雸A木兩端要分別搭在相鄰兩支架頂梁上，并與頂梁方向垂直。移架時(shí)要求同一個(gè)木垛下的支架交替前移，移架時(shí)采用帶壓移架的方式、少降快移，盡量使木垛形態(tài)完整。

(2)大范圍的片幫冒頂 當(dāng)工作面回采過程中遇到頂板大范圍冒漏或遇到頂板極破碎區(qū)域時(shí)，則需要對(duì)頂板實(shí)施注漿加固措施，注漿鉆孔的布置方式按工作面推進(jìn)過程中，所遇頂板破碎區(qū)的大小和破碎程度具體設(shè)計(jì)。

上述預(yù)防及處理措施使10號(hào)煤層開采過程中的片幫冒頂事故大大減少，與以往相鄰工作面比較，片幫冒頂事故從63次減少到0次，回采時(shí)間節(jié)省了近3個(gè)月，保證了工作面正常生產(chǎn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

黃白茨煤礦10號(hào)煤層以往工作面在開采時(shí)，經(jīng)常遇到片幫冒頂事故，通過本文中的綜合治理措施，使采煤機(jī)前滾筒割過頂煤后，即及時(shí)伸出伸縮梁護(hù)住頂板，回采時(shí)盡量降低頂梁仰角，保證支架的初撐力等，使下位煤層的1016工作面得到了順利安全回采，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］康永華，黃福昌，席京德.綜采重復(fù)開采的覆巖破壞規(guī)律［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2001，29(1):22－24.

［2］付國(guó)彬，洪允和，緩傾斜工作面的底板破壞區(qū) ［J］.礦山壓力與頂板管理，1992(1):62－66.

［3］張金才，劉天泉.論煤層底板采動(dòng)裂隙帶的深度及分布特征［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1990，15(2):46－55.

［4］朱衛(wèi)兵.淺埋近距離煤層重復(fù)采動(dòng)關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理研究［D］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2011.

［5］張百勝.極近距離煤層開采圍巖控制理論及技術(shù)研究［D］.山西:太原理工大學(xué)博士論文，2008.

［6］范士斌.近距離破碎頂板綜采面片幫冒頂治理技術(shù)［J］.山東煤炭科技，2006(1).