破碎厚煤層工作面端面頂板漏冒機理與防治

朱 濤，宋 敏，王恩鵬，崔永豐

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013;2.山東水利職業(yè)學(xué)院，山東日照276826)

我國煤炭儲量豐富，其中厚煤層的儲量約占我國煤炭總儲量的44%［1］。近二十年來，隨著厚煤層工作面采煤機、液壓支架和刮板輸送機等主要設(shè)備的成功研制，其在很大程度上加快了大采高綜采技術(shù)的發(fā)展。但是，許多專家、學(xué)者和現(xiàn)場技術(shù)人員通過大量的理論研究和多年的現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn):如果大采高工作面受到節(jié)理、裂隙等較為發(fā)育的破碎煤層影響時，頂板漏冒的概率加大、工作面支架－圍巖系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，直接導(dǎo)致煤礦的安全生產(chǎn)狀況降低［2］。研究破碎厚煤層工作面端面頂板漏冒機理與防治，對該類工作面實現(xiàn)高產(chǎn)高效具有重要的意義。

1 3307工作面概況

山西晉煤集團趙莊煤業(yè)有限公司位于山西沁水煤田的東南部，井田南北長約16.65km，東西寬約14.8km，面積144.13km2。該礦目前主采3號煤層，其中3307工作面走向長度1757.86m，工作面長度219.75m，煤層厚度為3.4～6.3m，平均厚度為5.6m，煤層傾角1～15°，平均傾角為8°，工業(yè)儲量2.91Mt，可采儲量2.6Mt。3號煤層及其直接頂巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 3號煤層及直接頂巖層物理力學(xué)參數(shù)

從表1中可以看出3號煤層及其直接頂巖層的巖石試樣強度較低，且松散性較大。

現(xiàn)場施工3號煤層回采巷道和在3307工作面推進的過程中，由于3號煤層巷道圍巖強度低，節(jié)理、裂隙發(fā)育，且受到斷層、破碎帶、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的影響，圍巖極其破碎，穩(wěn)定性很差，工作面頂板漏冒、煤壁片幫情況嚴重，如圖1所示。

2 工作面端面頂板結(jié)構(gòu)模型的建立

在工作面采場－圍巖的關(guān)系中，端面頂板的漏冒控制是一項非常重要的內(nèi)容，尤其是破碎厚煤層工作面端面頂板漏冒控制的重要性要遠遠大于綜放工作面或普采高端面頂板。通過對晉煤集團趙莊煤業(yè)公司3307工作面端面頂板漏冒現(xiàn)象的觀測，構(gòu)建了破碎厚煤層工作面端面頂板的“塊體”結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

圖1 3307工作面頂板漏冒情況

在該模型中，C類塊體位于圖2所示“塊體”結(jié)構(gòu)模型的最下部，完全出露;B類塊體位于該結(jié)構(gòu)模型的偏中下部，則是大部分出露;A類塊體位于該結(jié)構(gòu)模型的上部，完全或只有少部分出露。

圖2 破碎厚煤層工作面端面頂板結(jié)構(gòu)模型

破碎厚煤層工作面端面頂板漏冒實際上是“塊體”結(jié)構(gòu)頂板的失穩(wěn)破壞，其失穩(wěn)破壞有2種形式:一種是在各種載荷作用下“塊體”的脫落失穩(wěn)破壞;另一種是“塊體”沿著結(jié)構(gòu)裂隙面所發(fā)生的剪切滑移失穩(wěn)破壞。這兩種破壞形式均可以運用塊體理論對端面頂板的漏冒進行詳細的分析［3－4］。

3 工作面端面頂板結(jié)構(gòu)的漏冒機理

“塊體”結(jié)構(gòu)頂板的失穩(wěn)破壞首先產(chǎn)生在C類塊體上，C類塊體可以認為是有限可動塊體，當C類塊體喪失承載能力產(chǎn)生失穩(wěn)后，其所承受的載荷就會轉(zhuǎn)移至B類塊體上，此時B類塊體在載荷的作用下也喪失了承載能力，繼而產(chǎn)生失穩(wěn)破壞［5－6］。由于此類效應(yīng)的連鎖反應(yīng)，A類塊體最終也產(chǎn)生了失穩(wěn)破壞，發(fā)生工作面端面頂板的連續(xù)漏冒。

根據(jù)上述分析，構(gòu)建了A，B類塊體的力學(xué)分析圖，如圖3所示。

圖3 A，B類塊體力學(xué)分析

根據(jù)圖3所示的模型，A類塊體位于圖2所示“塊體”結(jié)構(gòu)模型的上部，則有y≤L/2。B類塊體位于該結(jié)構(gòu)模型的偏中下部，則有y＞L/2。為了計算方便起見，假設(shè)A，B類塊體與C類塊體之間的凝聚力C為0［4］，則A，B類塊體任意橫截面上所受到的剪應(yīng)力Q(y)為:

式中，qy為A，B類塊體所受到的豎向載荷;a為A、B類塊體的邊長;y為從坐標原點O到任意橫截面的距離;L為A，B類塊體沿y軸線的長度;θ為A，B類塊體兩邊的夾角。

A，B類塊體在任意截面上的彎矩M(y)為:

A，B類塊體任意截面上的最大拉應(yīng)力σ(y)max為:

式中，Jz為A，B類塊體任意截面的慣性距;對于圖3所示的截面為A，B類塊體的厚度。

當A，B類塊體任意截面上的最大拉應(yīng)力σ(y)max大于或等于其抗拉強度σt時，則A，B類巖塊就會產(chǎn)生破斷。

由式(3)可知，A類塊體破斷的因素主要與塊體的抗拉強度σt、塊體上方的載荷qy、挾持端外的長度y、以及塊體的厚度H有關(guān)，而與塊體的邊長a和塊體兩邊的夾角θ無關(guān)。而B類巖塊破斷的影響因素不僅與A類塊體破斷的因素相同，其同時還與塊體的邊長a和塊體兩邊的夾角θ有關(guān)。這樣就可以根據(jù)不同塊體的出露端長度、厚度和塊體的抗拉強度等已知條件計算出A，B類塊體產(chǎn)生破斷時所需的豎向載荷qy。

由(4)式可知:A類塊體和B類塊體相比，在產(chǎn)生破斷時，B類塊體所需的豎向載荷小。因此，如果在相同載荷qy的作用下，B類塊體在端面產(chǎn)生破斷的可能性則較大。當B類塊體破斷成C類塊體后，原來由B類塊體所承受的載荷會轉(zhuǎn)移到A類塊體上，A類塊體在新的載荷作用下產(chǎn)生破斷。相同的破斷過程引起連鎖反應(yīng)，即“塊體”不斷產(chǎn)生脫落失穩(wěn)破壞或滑移失穩(wěn)破壞，從而造成工作面端面頂板的冒落。

4 防治工作面端面頂板漏冒的措施

就晉煤集團趙莊煤業(yè)公司3307工作面開采而言，由于該工作面內(nèi)斷層、節(jié)理、裂隙、褶曲、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造極其發(fā)育，加上煤質(zhì)本身破碎、采高大，工作面煤壁片幫嚴重，很容易形成大范圍的空頂，進而造成工作面端面頂板的漏冒。因此，如何對3307破碎厚煤層工作面端面頂板采取有效措施，防止端面頂板發(fā)生漏冒事故是實現(xiàn)該工作面安全高效開采的一項重要內(nèi)容。

通過對破碎厚煤層工作面端面頂板結(jié)構(gòu)的漏冒機理分析，防治3307工作面端面漏冒的關(guān)鍵是防治C類塊體喪失承載能力而產(chǎn)生的失穩(wěn)，主要措施是:

加強液壓支架初撐力的管理 破碎煤層大采高綜采液壓支架受到的載荷主要是靜載荷，這部分載荷來自于直接頂?shù)淖灾?，即A，B和C類塊體的自重。C類塊體不喪失承載能力，則必須應(yīng)用液壓支架的初撐力予以承擔(dān)直接頂?shù)淖灾?。所以加強對液壓支架密封膠圈和供液管路的管理，保證液壓泵站能夠提供足夠的初撐力［7－8］。安設(shè)液壓支架初撐力保持閥，使液壓支架實際初撐力達到設(shè)計的初撐力。同時要做到液壓支架不竄液、不漏液、不自動卸載。

液壓支架采用二級護幫板護幫 根據(jù)塊體理論，圖2中端面頂板C類塊體是有限且可動的［4］。要使C類塊體處于平衡狀態(tài)，滑動面上的切向下滑力一定要小于摩阻力。通過對3307工作面端面頂板漏冒的形式分析，重力滑落式漏冒最為常見。如果ZY12000/28/62D型液壓支架護幫板給工作面上部煤壁一個垂直于煤壁的力N，則會在很大程度上阻止端面頂板的冒漏?？梢?，在破碎厚煤層綜采的條件下，最大可能地提高支架護幫板的使用率。

及時支護 如果工作面端面頂板應(yīng)力集中嚴重，C類塊體在上部A、B類塊體自重和應(yīng)力集中作用下極易產(chǎn)生漏冒，所以液壓支架要及時支護，最大可能地減小工作面端面頂板的應(yīng)力集中。同時必須堅持超前拉架并打出護幫板，移架要盡量做到快拉、少降、快升，以保證及時支護頂板。

改進工作面設(shè)備操作技術(shù) 在3307工作面，要采用先拉架后推刮板機的方法，使液壓支架頂梁頂住工作面煤壁，禁止工作面留頂煤，支架必須接頂。當3307工作面出現(xiàn)大采高液壓支架歪倒、咬架等現(xiàn)象時，要及時對液壓支架進行調(diào)整。

提高圍巖強度 由于3307工作面地質(zhì)條件極其復(fù)雜，特別是當工作面通過斷層、破碎帶和頂板來壓時要及時對煤壁和頂板進行加固［5］，通過提高“液壓支架－工作面煤壁－直接頂”的整體強度來使A，B和C類塊體不會滑動而處于穩(wěn)定狀態(tài)。當頂板比較破碎時，可以采用瑪麗散加固方法或其他固化方法對頂板固化。

5 結(jié)束語

(1)根據(jù)破碎厚煤層工作面開采時的端面頂板巖層結(jié)構(gòu)特點，構(gòu)建了工作面端面頂板的結(jié)構(gòu)模型。

(2)在分析“塊體”結(jié)構(gòu)頂板失穩(wěn)破壞形式的基礎(chǔ)上，又對破碎厚煤層工作面端面頂板失穩(wěn)破壞進行了力學(xué)分析，揭示了工作面端面頂板漏冒的機理和動態(tài)過程，即:C類塊體失穩(wěn)→載荷轉(zhuǎn)移至B類塊體→B類塊體失穩(wěn)→載荷轉(zhuǎn)移至A類塊體→A類塊體失穩(wěn)→整個結(jié)構(gòu)失穩(wěn)→工作面端面頂板發(fā)生漏冒。

(3)通過對3307工作面端面頂板穩(wěn)定性的分析，給出了該工作面防治端面頂板漏冒的主要措施。

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