綜放工作面停采期間片幫冒頂影響因素及防治技術(shù)研究

張寶軍　閆憲磊　吳瓊

摘要：文章以兗礦集團興隆莊煤礦7306綜放工作面為研究對象，針對7306工作面在停采期間頻發(fā)片幫冒頂這一問題進行了研究；分別從煤的物理性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造因素、外部圍巖應(yīng)力環(huán)境、支架支護情況等方面進行分析，找出導(dǎo)致工作面片幫冒頂發(fā)生的影響因素；在此基礎(chǔ)上針對各個影響因素提出綜合治理措施。

關(guān)鍵詞：綜放工作面；停采期間；片幫冒頂；煤礦開采；煤層物理性質(zhì)；地質(zhì)構(gòu)造 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD823 文章編號：1009-2374（2015）27-0162-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.083

1 概述

綜放工作面由于開采強度較大，端面片幫冒頂現(xiàn)象時有發(fā)生，它不僅會對人員安全造成威脅，還會破壞工作面的機器設(shè)備，影響正規(guī)循環(huán)作業(yè)的完成。因此，維護好工作面煤壁及頂板的穩(wěn)定性是綜放工作面在安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)高產(chǎn)高效的重要課題。就目前來看，國內(nèi)外許多專家針對綜放工作面回采期間的端面片幫，及其冒頂?shù)臋C理和防治技術(shù)措施進行了研究，但對于綜放工作面在停采期間這一特殊時期內(nèi)的片幫冒頂研究相對較少。本文以兗礦集團興隆莊煤礦7306綜放工作面為研究對象，對7306綜放在停采期間端面頻發(fā)片幫和冒頂現(xiàn)象的影響因素進行深入研究，并針對各個影響因素采取相應(yīng)的切實有效的治理措施，為類似礦井在防治端面片幫冒頂現(xiàn)象提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

2 工作面概況

興隆莊煤礦7306綜放工作面煤層傾角3°～10°，平均7°，煤厚6.70～9.40m，平均8.58m。煤層普氏系數(shù)f在2.3左右，為軟～中等硬度煤層，頂?shù)装迩闆r如表1所示：

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

工作面位于七采北部，東側(cè)以小廠一號斷層為界與東灘煤礦相鄰，西側(cè)停采線為5317和5318綜放工作面采空區(qū)，南側(cè)為7305綜放工作面采空區(qū)。工作面所采煤層為二疊系月門溝統(tǒng)山西組底部之3煤，以亮煤為主，含暗煤條帶，屬半亮型煤。采煤方法為傾斜長壁綜采放頂煤一次采全高全部陷落法，開采強度較大，工作面支架選用97組ZFS7200/20/40型正四連桿低位放頂煤液壓支架，在工作面軌順、運順端頭各配置3組排頭放頂煤支架，其型號為ZTF9000/22/38。7306工作面于2013年2月中旬開始停采，為工作面設(shè)備的撤出造條件。截至2月27號，距離停采線還有5.9m的距離，軌順距離5317采空區(qū)83.4m，運順距離5318采空區(qū)68.2m，如圖1所示：

3 工作面端面片幫冒頂?shù)挠绊懸蛩?/p>

自2月初開始，7306綜放工作面開始頻繁出現(xiàn)片幫冒頂，給工作面的停采撤面和設(shè)備的撤出條件帶來了很大的麻煩，現(xiàn)針對7306綜放工作面停采期間的煤壁片幫和冒頂?shù)挠绊懸蛩剡M行分析。

3.1 煤層的物理性質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，7306綜放工作面開始的3煤為普氏系數(shù)f在2.3左右，為軟～中等硬度煤層。隨著煤層硬度的降低，不僅會引起煤體不連續(xù)面上粘聚力C和內(nèi)摩擦系數(shù)tanf，還會增加不連續(xù)面的個數(shù)，產(chǎn)生節(jié)理裂隙的發(fā)育，進而產(chǎn)生片幫冒頂。從現(xiàn)場片幫和冒頂?shù)胤絹砜?，基本都發(fā)生在煤層裂隙發(fā)育較多的地方。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造因素影響

7306綜放工作面傾斜長臂布置，但為了停采后設(shè)備的順利撤出，必須要保證工作面的平直，故末采期間采用平推。因此，工作面煤壁底部切割底板巖層，值得注意的是，在工作面1#支架至56#支架的范圍內(nèi)，工作面有一背斜構(gòu)造，1#支架端前割底板巖層1.5m左右，30#～45#架之間全部割巖層，至56#架時割底板巖層0.5m，57#架子至機尾基本割底板均為0.4m左右。為了研究這一背斜構(gòu)造對工作面停采期間的應(yīng)力分布影響，采用數(shù)值模擬的手段進行分析，模擬參數(shù)見表2、圖2、圖3。

從數(shù)值模擬結(jié)果來看，該工作面背斜構(gòu)造對垂直應(yīng)力分布影響并不是很大，而對水平應(yīng)力的分布有很大影響，特別是在巖層和煤層變化幅度大的地方尤為明顯。背斜導(dǎo)致水平應(yīng)力在兩種不同介質(zhì)變化的區(qū)域內(nèi)分布不均，存在應(yīng)力梯度，這就加重了裂隙的發(fā)育程度，從而引起煤壁的片幫和頂板的冒落。

3.3 外部應(yīng)力環(huán)境

從7306工作面停采期間位置關(guān)系圖（圖4），我們可以看出，7306工作面停采期間可以看做一“孤島”煤柱。這就為工作面的片幫冒頂提供了一個大的高應(yīng)力環(huán)境，致使工作面停采期間片幫冒頂頻發(fā)。

3.4 支架支護情況的影響

停采期間7306工作面由于大面積片幫頂煤，引起采空區(qū)后方大面積的冒頂，致使支架很難達到支架的保壓值，每天統(tǒng)計一次工作面1#至103#支架的末阻力，由于篇幅原因，截取兩次記錄數(shù)據(jù)進行分析，如圖4、圖5所示。

通過對支架壓力分布曲線中，總結(jié)出以下規(guī)律：（1）機頭、機尾附近支架末阻力較大，說明在機頭、機尾處的圍巖應(yīng)力不論是垂直應(yīng)力還是水平應(yīng)力應(yīng)力集中程度較高。且機頭附近支架壓力變化幅度較機尾小，說明在機頭附近的圍巖應(yīng)力的集中程度要高于機尾附近。這是由于在機尾一側(cè)是7305采空區(qū)，受采空區(qū)影響導(dǎo)致應(yīng)力集中，直接反映為支架末阻力增加；（2）工作面支架后立柱每隔一定的間距，連續(xù)10個左右支架前后支柱壓力均不保壓，說明工作面頂板上出現(xiàn)大面積空頂現(xiàn)象，特別是在背斜構(gòu)造區(qū)域內(nèi)反映得尤為明顯；（3）煤壁在支架末阻力較小區(qū)域內(nèi)，片幫尤為嚴重，這是由于支架不能起到“支”的效果，上覆巖層的應(yīng)力主要有煤壁承擔(dān)，當超過煤層的極限時，發(fā)生片幫冒頂現(xiàn)象。

在硬度較低的煤層開采，要充分考慮支架前傾角度對煤壁片幫的影響。在支架水平工作阻力較大的情況下，若是垂直工作阻力較小，在上覆巖層的壓力作用下，容易引起煤壁片幫，進而引起端面冒頂。同樣，如果只考慮垂直作用力，不考慮水平作用力，則易發(fā)生端面冒頂事故。從失穩(wěn)過程來分析，軟煤煤壁穩(wěn)定性較差，承載能力低，受力易發(fā)生塑性流動，變相增加了端面距，加上頂煤穩(wěn)定性較差，支護無法阻止無支護空間內(nèi)頂煤的塑性流變。對于軟煤層，要提高支護效果，關(guān)鍵是提高煤壁的穩(wěn)定性，并縮小端面距。

3.5 回采因素的影響

7306停采期間，由于調(diào)面的要求，致使工作面很難保證勻速回采，并且空頂時間較長。另外，停采后要求工作面為撤出支架提供一定的空間，導(dǎo)致空頂面積較大，也是煤壁片幫冒頂?shù)囊粋€重要原因。

3.6 影響因素的綜合性分析

7306工作面停采期間頂板難于維護，頻繁出現(xiàn)煤壁大范圍片幫冒頂，是煤巖的物理性質(zhì)、上覆巖層活動規(guī)律及圍巖應(yīng)力分布、支架支護參數(shù)、地質(zhì)構(gòu)造、回采影響等因素的綜合體現(xiàn)。就興隆莊煤礦7306綜放工作面來分析，片幫冒頂頻發(fā)的原因在于：煤質(zhì)較軟是內(nèi)因，工作面受三個方向的采空區(qū)影響為片幫冒頂?shù)陌l(fā)生提供了外部應(yīng)力條件，長時間大面積空頂為片幫和冒頂提供了發(fā)育時間及空間，背斜構(gòu)造加重了片幫冒頂發(fā)生的幾率和程度，支架未能提供足夠高的初撐力從而引起煤壁片幫冒頂?shù)陌l(fā)生。

4 端面片幫冒頂?shù)姆乐未胧?/p>

針對7306綜放工作面停采期間片幫冒頂現(xiàn)象的頻發(fā)，在研究分析了影響因素的基礎(chǔ)上，提出了與之相對應(yīng)的綜合治理措施。

4.1 煤壁注漿

針對工作面開采煤層較軟及裂隙的發(fā)育，在工作面煤壁一側(cè)注漿（固邦特），用以增大不連續(xù)面上的黏聚力內(nèi)聚力系數(shù)，從根本上增強煤層自身的強度，減少片幫的發(fā)生幾率。

4.2 頂板架棚上網(wǎng)，打錨桿錨索聯(lián)合支護

停采期間對工作面頂板進行全面上網(wǎng)，在有冒頂?shù)牡胤教襞镞M行支護，在空頂?shù)亩嗣嫒看蝈^桿錨索加鋼帶聯(lián)合支護，在煤壁一側(cè)采用單體支柱支護。從現(xiàn)場應(yīng)用效果來看，基本控制住了煤壁片幫和冒頂?shù)倪M一步惡化。

4.3 圍巖卸壓

針對工作面受采空區(qū)的導(dǎo)致應(yīng)力集中的情況，對兩順槽進行打泄壓孔卸壓，釋放煤體及上覆巖層的壓力，一定程度上緩解了片幫冒頂?shù)陌l(fā)生。

4.4 支架管理

在停采調(diào)面期間，嚴格要求支架規(guī)范操作，不僅要保證升架時間，達到規(guī)定的初撐力，還要保證支架有合適的仰俯角，使得支架提供的水平工作阻力和垂直工作阻力合理搭配，并盡量縮小端面距。

5 結(jié)語

綜放工作面煤壁片幫冒頂?shù)陌l(fā)生，往往是由于多種因素共同作用的結(jié)果，應(yīng)全面分析其影響因素，揭示出其發(fā)生機理和演化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，針對各個影響因素提出綜合治理措施，這樣才能在最大程度上減少片幫和冒頂?shù)陌l(fā)生。

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作者簡介：張寶軍（1982-），男，山東臨朐人，兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦助理工程師。

（責(zé)任編輯：蔣建華）