近距離煤層群重復(fù)采動下端面冒頂影響因素分析及防治

李強， 吳桂義， 孔德中

(貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

近距離煤層群廣泛分布于全國各大礦區(qū)，且大多采用下行式方法開采。當對近距離煤層群重復(fù)采動下的煤層進行回采時，其頂板會受到重復(fù)采動損傷影響，多為裂隙結(jié)構(gòu)，承載能力差，頂板上為上部煤層開采后垮落的散體矸石，在煤層開采過程中，頂板極易發(fā)生冒漏現(xiàn)象，形成大范圍空頂，造成煤壁片幫和頂板壓架等災(zāi)害，對重復(fù)采動下工作面開采構(gòu)成極大威脅，造成下位煤層開采難度極大，嚴重影響近距離煤層群安全、高效開采。因此，研究近距離煤層群重復(fù)采動下端面冒頂?shù)挠绊懸蛩?，確定重復(fù)采動下端面冒頂機理，提出有效的控制方法是實現(xiàn)近距離煤層安全開采的必然要求[1-2]。

學(xué)者們針對端面冒頂及防治進行了大量研究，魏臻[3]統(tǒng)計分析了典型端面冒頂案例，明確了端面冒頂對采場支架-圍巖結(jié)構(gòu)體系的影響形式與因素，通過研究支架覆巖平衡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機理，利用相似模擬和數(shù)值模擬分析了端面冒頂?shù)母饕蛩赜绊懱卣鳎岢隽隧敯骞芾泶胧┑母倪M建議。鞠金峰等[4]對神東礦區(qū)大柳塔煤礦開采時端面頂板冒漏進行了分析，從覆巖關(guān)鍵層“懸臂梁”結(jié)構(gòu)運動對端面直接頂作用的角度闡述了端面冒頂?shù)陌l(fā)生機理，并提出了相應(yīng)的控制對策。方新秋[5]建立了綜放工作面支架與圍巖系統(tǒng)相互作用的力學(xué)模型，提出了不同條件下端面頂板穩(wěn)定性的控制原則，給出了不同頂煤條件下液壓支架合理工作阻力的確定方法。段昌晨等[6]采用現(xiàn)場工業(yè)性試驗，開展了大采高松軟破碎頂板綜采工作面端面冒漏機理分析研究，提出了長鋼絲繩-注漿加固的新方法，并通過工程實踐驗證了該方法的可靠性。劉嘯[7]針對厚硬頂板工作面開采強礦壓問題，以安徽淮南潘北礦為工程背景，分析了該礦基本頂破斷特征，制定了頂板深孔預(yù)裂爆破方案，研究了不同深孔預(yù)裂爆破厚度下圍巖應(yīng)力演化規(guī)律與有效深孔預(yù)裂爆破厚度下超前支承壓力分布。預(yù)裂爆破后，工作面下部支架最大載荷和平均載荷降低，支架動載系數(shù)發(fā)生明顯波動，煤壁片幫得到有效控制。

綜上可知，現(xiàn)有對于端面頂板冒漏與防治研究多為針對單一煤層開采的研究，而近距離煤層群開采下端面頂板穩(wěn)定性不同于單一煤層。在近距離煤層群開采過程中，由于相鄰煤層間距較小，上位煤層開采后，殘留煤柱應(yīng)力集中，煤層底板受到不同程度的損傷破壞，導(dǎo)致下位煤層開采區(qū)域的頂板結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境發(fā)生變化，在開采過程中容易出現(xiàn)端面冒頂、煤壁片幫和頂板壓架等災(zāi)變問題。鑒此，本文從頂板、煤壁、支架3個方面考慮，分析重復(fù)采動下端面冒頂?shù)挠绊懸蛩兀肬DEC模擬軟件模擬不同影響因素下端面冒頂情況，并提出相應(yīng)的防治措施，為近距離煤層群安全、高效、綠色開采提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程技術(shù)條件

本文研究的礦井位于貴州省六盤水市，該礦井主要包括15—18號4層可采煤層，15—18號煤層的平均厚度分別為2.5，2.0，4.0，5.0 m，其中15號與16號煤層的層間距為6 m，16號與17號煤層的層間距為6 m，17號與18號煤層的平均層間距為15 m。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》中對近距離煤層的定義，該礦井15—17號煤層開采屬于近距離煤層群開采。目前，15號與16號煤層已經(jīng)回采結(jié)束，現(xiàn)在正在回采17號煤層，17101工作面是17號煤層首采工作面，采深約為500 m，采用綜合機械化大采高一次采全高后退式開采方法。工作面長度為150 m，推進長度為1 000 m。煤層空間位置關(guān)系和巖層綜合柱狀圖如圖1、圖2所示。

圖1 煤層空間位置關(guān)系

圖2 巖層綜合柱狀圖

17101工作面自開采以來，先后發(fā)生了3次大范圍的冒頂事故?，F(xiàn)場統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在工作面的兩端和中間部位均發(fā)生過端面冒頂，端面冒頂多發(fā)生在液壓支架頂梁端部至煤壁的無支護空間。近距離煤層群重復(fù)采動下端面冒頂已經(jīng)嚴重影響到17101工作面的正常開采，需要從重復(fù)采動下端面冒頂?shù)挠绊懸蛩爻霭l(fā)，研究不同影響因素下端面頂板的狀況，提出相應(yīng)的防治措施，解決17101工作面端面冒頂問題，使近距離煤層群重復(fù)采動下的煤層可以安全、高效開采。

2 重復(fù)采動下端面冒頂影響因素分析

2.1 重復(fù)采動下端面冒頂演化過程

近距離煤層群重復(fù)采動下采場上方為受損巖石頂板，下方為液壓支架和煤層。在工作面推進過程中，重復(fù)采動下端面冒頂?shù)难莼^程如下：在開采過程中，受損的端面頂板隨著采煤機不斷向前推進，端面跨度逐漸增加，端面頂板進入極限平衡區(qū)，并產(chǎn)生塑性變形破壞，受到上覆巖層和煤層、支架的擠壓作用，受損頂板裂隙二次擴展，在煤壁至液壓支架的前梁之間的區(qū)域內(nèi)，由于該區(qū)域長時間暴露，受損頂板應(yīng)力降低，水平層理張開，頂板下沉量增大，在滿足失穩(wěn)條件時易發(fā)生頂板冒落。

在重復(fù)采動下端面冒頂?shù)难莼^程中，沿工作面推進方向上損傷頂板出現(xiàn)不同分區(qū)屬性，尤其是在采場端面頂板弱支撐區(qū)域的應(yīng)力降低和在液壓支架頂梁上方受到的支架支撐力的作用，使重復(fù)采動下端面頂板結(jié)構(gòu)特征發(fā)生了較明顯的區(qū)分特點。采場頂板分區(qū)如圖3所示，圖中q為上覆巖層對頂板的壓力。沿17號煤層到采空區(qū)方向，可依次將頂板劃分為裂隙發(fā)育區(qū)、端面頂板弱支護區(qū)、頂梁擠壓區(qū)、頂板垮落區(qū)。

圖3 采場頂板分區(qū)

2.2 重復(fù)采動下的端面冒頂影響因素分析

從頂板分區(qū)結(jié)果可知，端面頂板弱支護區(qū)易發(fā)生端面冒頂，弱支護區(qū)的頂板性質(zhì)、暴露距離、暴露時間影響端面頂板穩(wěn)定性，頂板性質(zhì)對應(yīng)頂板強度，暴露距離對應(yīng)端面距，暴露時間對應(yīng)推進速度，因此，端面冒頂防治研究應(yīng)考慮頂板強度、端面距與推進速度。從重復(fù)采動下端面頂板直接接觸的范疇來看，工作面煤壁和液壓支架是端面頂板兩側(cè)的關(guān)鍵控制對象，應(yīng)該考慮煤體強度與支架工況。本文通過建立近距離煤層群重復(fù)采動下“端面頂板-煤壁-支架”模型(圖4)，從煤壁、液壓支架與端面頂板穩(wěn)定性的關(guān)系考慮端面頂板的穩(wěn)定性，對端面頂板弱支護區(qū)進行及時控制，明確了近距離煤層群重復(fù)采動下端面冒頂?shù)挠绊懸蛩?，即頂?圍巖強度、支架工作阻力、推進速度和端面距[8]。

圖4 “端面頂板-煤壁-支架”模型

3 不同影響因素下端面頂板穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

利用UDEC數(shù)值模擬軟件研究不同影響因素下端面頂板穩(wěn)定性的情況，能夠非常直觀地觀察到端面頂板的破壞過程。

3.1 模型建立

為了獲得重復(fù)采動下不同影響因素對端面頂板的影響，以17101工作面的實際地質(zhì)與開采條件為背景，采用UDEC軟件模擬不同影響因素下端面頂板的破壞情況。將模型視為二維問題，建立平面應(yīng)變力學(xué)數(shù)值模型，模型長度為200 m，寬度為120 m，模擬工作面采深為300 m，模型煤層厚度為4 m。模型計算邊界條件：兩邊為固定邊界條件，速率為0。數(shù)值模型如圖5所示，煤巖體力學(xué)參數(shù)見表1，節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

表2 節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)

圖5 數(shù)值模型

3.2 頂板-圍巖強度對端面冒頂?shù)挠绊?/h3>

受15、16號煤層開采的影響，17號煤層頂板裂隙發(fā)育影響端面頂板冒漏。重復(fù)采動下覆巖裂隙發(fā)育情況如圖6所示。從圖6可看出，15、16號煤層開采對17號煤層頂板造成了損傷破壞，在17號煤層開采過程中，頂板控制尤為重要，特別是在上部采空區(qū)的兩端、裂隙分布密集區(qū)域，需要注意端面頂板冒漏情況。因此，頂板-煤壁的強度直接影響到頂板、煤壁的穩(wěn)定性[9]。

圖6 重復(fù)開采下覆巖裂隙發(fā)育情況

為了分析頂板-圍巖強度對端面頂板冒漏的影響，研究了不同頂板-圍巖強度增加量下端面頂板情況。不同頂板-圍巖強度增加量下的端面頂板情況如圖7所示。

(a)初始頂板-圍巖強度

從圖7可看出，在初始頂板-圍巖強度下，煤壁變形嚴重，頂板下沉劇烈，端面頂板容易出現(xiàn)冒漏。當頂板-圍巖強度增加量為0.5 MPa時，頂板下沉量減小，煤壁變形量小，端面頂板仍不穩(wěn)定，影響工作面生產(chǎn)正常。當頂板-圍巖強度增加量為1.0 MPa時，頂板下沉量小，煤壁只發(fā)生了輕微變形，支架支護狀態(tài)良好，工作面生產(chǎn)正常。當頂板-圍巖強度增加量為1.5 MPa時，頂板、煤壁狀態(tài)良好，端面頂板變形小，支架支護狀態(tài)正常。因此，增加頂板-圍巖強度，是防治端面冒頂、煤壁片幫和頂板壓架的重要手段。

3.3 不同支架工作阻力對端面冒頂?shù)挠绊?/h3>

對于重復(fù)開采來說，頂板已經(jīng)受到了損傷破壞，而且頂板上部為破碎矸石，支架的合理支護阻力既要能夠支撐頂板、抵抗頂板來壓和上部矸石質(zhì)量，又要能夠緩解煤壁壓力，防止煤壁片幫與端面冒頂。液壓支架的工作阻力偏低，是造成工作面端面冒頂?shù)闹匾蛑弧Ｒ虼?，需要確定合理的支架工作阻力，防止端面頂板冒漏影響工作面正常生產(chǎn)[10]。不同支架工作阻力對端面頂板的影響如圖8所示。從圖8可看出，當液壓支架工作阻力為6 000 kN時，端面冒頂高度和煤壁破壞深度很大，端面頂板極易發(fā)生冒漏，頂板變形嚴重，煤壁發(fā)生片幫，頂板控制效果很差，嚴重影響了工作面的正常推進。當支架工作阻力為8 000 kN時，相對于支架工作阻力為6 000 kN，端面冒頂和片幫程度有所降低，但頂板仍然較為破碎，控制效果較差。當支架工作阻力為10 000 kN時，頂板相對穩(wěn)定，下沉量很少，煤壁未出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，端面冒頂和片幫得到基本控制。當支架工作阻力達到12 000 kN時，頂板穩(wěn)定，頂板煤壁的位移變化量很小，可以看到頂板已經(jīng)得到完整的控制。

(a)支架工作阻力為6 000 kN

3.4 不同推進速度對端面冒頂?shù)挠绊?/h3>

工作面推進速度是影響重復(fù)采動下端面頂板穩(wěn)定性的重要因素之一，需掌握工作面推進速度與重復(fù)采動下端面頂板穩(wěn)定性的關(guān)系，采取合理的手段進行控制，預(yù)防端面冒頂。工作面推進速度可通過模擬計算時步間接反映出來，通過調(diào)整模擬計算時步來確定工作面推進速度[11]。不同模擬計算時步對端面頂板穩(wěn)定性的影響如圖9所示，不同模擬計算時步下端面頂板下沉量、煤壁水平位移量見表3。從圖9、表3可看出，當模擬計算時步從1 500步變化到2 000步時，煤壁水平位移量和端面頂板下沉量逐漸增加，模擬計算時步與煤壁水平位移量、端面頂板下沉量幾乎呈線性關(guān)系。模擬過程中隨著模擬計算時步的增加，端面頂板下沉量和煤壁最大水平位移也增大，說明工作面煤壁片幫和端面冒頂?shù)陌l(fā)生概率在增加。由此說明，在工作面推進過程中，推進速度對現(xiàn)場施工有著極大影響，在保證施工安全的前提下，應(yīng)使工作面推進速度盡可能快，盡量減少不必要的停產(chǎn)，從而保證端面頂板與煤壁的相對穩(wěn)定，防止端面冒頂事故發(fā)生。

(a)1 500步

表3 不同模擬計算時步下端面頂板下沉量、煤壁水平位移量

3.5 不同端面距對端面冒頂?shù)挠绊?/h3>

端面距為端面冒頂?shù)闹匾绊懸蛩?，端面冒頂與端面距呈線性相關(guān)，冒落高度隨著端面距的增大而增加[12]。從頂板分區(qū)中可看出，端面頂板區(qū)域為工作面弱支護區(qū)，端面距直接影響工作面弱支護區(qū)的大小，端面距越大，工作面弱支護區(qū)越大，增加了煤壁片幫發(fā)生概率并引發(fā)端面頂板冒漏。分別模擬端面距為0.5，1.0，1.5，2.0 m時的支架上方端面頂板位移變化規(guī)律，分析不同端面距對重復(fù)采動下支架-圍巖關(guān)系的影響。不同端面距下的端面頂板情況如圖10所示。從圖10可看出，當端面距為0.5 m時，端面頂板狀況良好，基本沒有出現(xiàn)頂板冒漏和煤壁片幫，端面頂板控制效果較好。當端面距為1.0 m時，端面頂板出現(xiàn)略微下沉，煤壁變形量小。當端面距為1.5 m時，頂板下沉量增加，煤壁變形嚴重，端面頂板開始出現(xiàn)頂煤冒漏和煤壁片幫，端面控制開始出現(xiàn)一些困難。當端面距為2.0 m時，頂板出現(xiàn)大面積的垮落，煤壁片幫嚴重影響端面冒頂，造成頂板下沉急劇增加，端面已經(jīng)難以控制，導(dǎo)致端面頂板冒漏。因此，端面距越小，端面頂板越穩(wěn)定，但是端面距太小也會影響到工作面的正常開采，根據(jù)該礦的地質(zhì)條件，為保證端面頂板的完整性和易控性，端面距小于1.0 m最為合適。

(a)端面距為0.5 m

4 重復(fù)采動下端面冒頂防治措施

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，在近距離煤層群重復(fù)采動過程中工作面發(fā)生頂板冒漏事故的主要影響因素為頂板-圍巖強度、支架支護阻力、推進速度和端面距，預(yù)防頂板冒漏是工作面圍巖控制的關(guān)鍵。因此，通過對以上4個影響因素的研究，提出合理的防治措施，對重復(fù)采動下端面頂板的冒漏進行防治。

4.1 頂板與圍巖強度的增加

重復(fù)采動過程中頂板與煤體都受到了損傷破壞，頂板與煤壁強度降低，容易出現(xiàn)支架前端頂板冒落，從而引發(fā)頂板冒落與煤壁片幫等災(zāi)害，造成采場無法正常生產(chǎn)。因此，需要增加頂板與煤體的強度。針對小范圍的局部端面冒頂事故，可采用注漿進行控制，利用羅克休和馬麗散等體積快速膨脹材料充填冒落頂板，可增強頂板的完整性和強度，控制端面頂板破碎。利用注漿增加頂板與圍巖強度如圖11所示。針對于冒頂范圍大、頂板受損嚴重情況，主要采用鋼絲網(wǎng)和漿液加固破碎頂板，漿液能夠通過滲透作用充填破碎圍巖體中的裂隙，從而增加煤巖體強度，鋼絲網(wǎng)固定在煤巖體中，形成一個具有一定承載能力的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，作為破碎頂板新的加固層。重復(fù)采動下破碎頂板加固平面圖如圖12所示。

圖11 利用注漿增加頂板與圍巖強度

圖12 重復(fù)采動下破碎頂板加固平面圖

4.2 液壓支架工作阻力的提高

17101工作面選用ZY8000/22/48型液壓支架，額定初撐力為7 752 kN，額定工作阻力為8 000 kN，支護強度為1.0～1.35 MPa。對17101工作面支架阻力進行觀測，觀測記錄頻率為每天1次。在現(xiàn)場觀測中發(fā)現(xiàn)，液壓支架初撐力普遍偏低，這是造成17101工作面煤壁片幫和端面冒頂?shù)闹匾騕13]。因此，為了有效控制工作面端面冒頂事故，要求提高支架的支護工作阻力，需要從以下幾個方面加以改進：

(1)設(shè)計液壓支架時，設(shè)前柱工作阻力比后柱大。在工作阻力不變的情況下，提高支架前柱的支撐能力，可以提高支架的支護效率，進而改進支護效果。

(2)加強支護質(zhì)量監(jiān)測，提高乳化液泵站的工作阻力，及時對液壓支架進行二次注液，保證工作面液壓支架達到合理的工作阻力，提高支架-頂板的整體穩(wěn)定性，降低煤壁壓力，以提高支架-頂板-煤壁體系的整體剛度，確保良好的支架位態(tài)，防止端面冒頂事故。

(3)正確操作支架。在移架伸柱之后，不要立即把伸柱手把打回零位，支架操作人員應(yīng)觀察支架的壓力表，保證充足的作業(yè)時間，或者采用電液閥控制支架，保證支架達到足夠的支護阻力，充分利用支架的支護工作阻力，及時有效地支護頂板，防止端面冒頂?shù)陌l(fā)生。

4.3 推進速度的合理控制

模擬結(jié)果表明，工作面推進速度對端面頂板穩(wěn)定性具有明顯的影響作用，工作面推進速度越慢，采場頂板下沉現(xiàn)象越嚴重。因此，控制工作面推進速度可以有效降低端面冒頂事故的發(fā)生概率。采場生產(chǎn)應(yīng)該嚴格按照正規(guī)循環(huán)作業(yè)進行，并且采取合理有效的防治措施，保證工作面快速順利回采，確保端面頂板的穩(wěn)定可靠。在工作面實際開采中，應(yīng)加強對工作面推進速度的控制，合理安排工作面推進情況，從而防止端面冒頂及煤壁片幫，減少各種采場事故造成的停產(chǎn)，應(yīng)當選擇在頂板條件良好的區(qū)域停產(chǎn)。

4.4 端面距的減小

模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，減小液壓支架前端的空頂區(qū)域，有利于增強采場端面頂板的穩(wěn)定性，從而防止采場發(fā)生煤壁片幫和端面冒頂?shù)葹?zāi)害。依據(jù)現(xiàn)場實際觀測情況，應(yīng)從以下幾個方面來控制端面距的范圍，以保證端面頂板、煤壁的穩(wěn)定性。

(1)控制采煤機截割深度，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,采煤機的截深應(yīng)控制在1.0 m以內(nèi)。

(2)及時支護新暴露出來的端面頂板。

(3)保證采煤機開采出來的頂板平整，液壓支架應(yīng)該處于微仰狀態(tài)，從而減小空頂面積。

(4)采用柔性恒阻錨索棚支護，解決工作面端面距加大造成端面破碎嚴重、極易發(fā)生端面冒頂?shù)碾y題。

通過以上措施的應(yīng)用，使得17101工作面的端面冒頂?shù)玫搅擞行У目刂?，使采場可以進行正常開采。但這些措施還不盡完善，有待改進，仍需進一步研究方便、快捷的端面頂板控制方法，為近距離煤層群采場安全、高效開采提供技術(shù)保障。

5 結(jié)論

(1)通過對重復(fù)采動下端面冒頂演化過程分析、采場頂板分區(qū)與“端面頂板-煤壁-支架”模型的建立，分析得出頂板-圍巖強度、支架工作阻力、推進速度和端面距是近距離煤層群開采端面冒頂?shù)闹饕绊懸蛩亍?/p>

(2)利用UDEC軟件模擬分析不同影響因素對重復(fù)采動下端面冒頂?shù)挠绊懀Y(jié)果表明：重復(fù)采動過程中頂板與煤體都受到了損傷破壞，頂板與煤壁強度降低，容易出現(xiàn)支架前端頂板冒落，引發(fā)頂板冒落與煤壁片幫等災(zāi)害，頂板-圍巖強度越大，頂板的穩(wěn)定性越好；液壓支架工作阻力偏低是造成工作面端面冒頂?shù)闹匾蛑?，液壓支架工作阻力越大，端面頂板越穩(wěn)定；工作面推進速度對端面頂板穩(wěn)定性具有明顯的影響作用，工作面推進速度越慢，采場頂板下沉現(xiàn)象越嚴重；端面距為端面冒頂?shù)闹匾绊懸蛩?，端面冒頂與端面距呈線性相關(guān)，冒落高度隨著端面距的增大而增加，端面距越小，端面頂板越穩(wěn)定，但是端面距太小也會影響到工作面的正常開采，應(yīng)根據(jù)實際情況來確定。

(3)考慮4個主要影響因素，提出了增加頂板與圍巖的強度、提高液壓支架工作阻力、合理控制推進速度和減小端面距4項防治措施，這些措施的應(yīng)用，使工作面的端面冒頂?shù)玫搅擞行Э刂?，為近距離煤層群重復(fù)采動下端面冒頂提供了解決方法。