王彪

【摘 要】 針對(duì)松軟煤層工作面煤壁片幫、冒頂嚴(yán)重的現(xiàn)象，文章以山西某礦4305工作面條件為基礎(chǔ)，對(duì)片幫、冒頂?shù)挠绊懸蛩剡M(jìn)行了分析，制定了工作面片幫、冒頂治理方案并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。分析認(rèn)為片幫影響因素：煤體自身結(jié)構(gòu)、工作面超前支承應(yīng)力、開(kāi)采工藝、開(kāi)采高度等;冒頂影響因素：煤壁片幫、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、采高等。根據(jù)方案實(shí)施后的監(jiān)測(cè)結(jié)果，工作面煤壁片幫與冒頂現(xiàn)象明顯減少，表明該方案能夠?qū)ζ瑤?、冒頂現(xiàn)象起到控制作用。

【關(guān)鍵詞】 松軟煤層;片幫因素;冒頂因素;防治措施

【中圖分類號(hào)】 TD823.97 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2019）03-0023-03 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

隨著礦井煤層采高的增大，工作面開(kāi)采過(guò)程中煤壁出現(xiàn)片幫以及冒頂?shù)默F(xiàn)象。特別是松軟破碎的煤層中，片幫、冒頂事故尤為嚴(yán)重，對(duì)礦井的正常生產(chǎn)產(chǎn)生很大影響。由于工作面煤壁出現(xiàn)片幫、冒頂后，會(huì)令煤壁處空頂距增大，頂板穩(wěn)定性變差，導(dǎo)致工作面支架出現(xiàn)受力不均衡的情況。本文對(duì)煤壁片幫、冒頂?shù)臋C(jī)理進(jìn)行了研究，研究結(jié)果對(duì)礦井的安全、高效生產(chǎn)具有一定的意義。

1礦井概況

山西某礦主采煤層為3#煤，煤層厚度在2.9～5.4m范圍內(nèi)，平均為5.23m，傾角在2～16°范圍內(nèi)，平均為8°，煤層內(nèi)含有1～2層夾矸，巖性主要為炭質(zhì)泥巖，在礦井開(kāi)采范圍內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定，屬于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單煤層。4305工作面為礦井的一個(gè)綜采工作面，工作面長(zhǎng)度為150m，工作面煤層頂?shù)装迦鐖D1所示。對(duì)工作面煤層進(jìn)行窺視以及物理力學(xué)測(cè)試后，煤體抗壓強(qiáng)度在3.4～6.3MPa范圍內(nèi)，煤層強(qiáng)度較低，并且4305工作面開(kāi)采范圍內(nèi)，煤層內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育較多，因此屬于松軟破碎煤層。

根據(jù)工作面開(kāi)采過(guò)程中對(duì)煤壁的宏觀礦壓顯現(xiàn)情況，工作面在正?；夭善陂g，煤壁片幫塊體較小，片幫深度小于1.5m，高度大約在1～1.5m范圍內(nèi)，且僅在工作面中上部位置出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。當(dāng)工作面發(fā)生周期來(lái)壓時(shí)，煤壁出現(xiàn)片幫的現(xiàn)象增多，在全工作面均有片幫情況出現(xiàn)，且片幫塊體變大，高度在2～2.5m范圍內(nèi)，片幫深度約為2m。在4305工作面開(kāi)采初期，受到斷層的影響，頂板局部有冒頂現(xiàn)象出現(xiàn)，但冒頂巖塊體積較小，頂板仍具有較好的完整性。但推進(jìn)至200m后，工作面機(jī)頭處冒頂現(xiàn)象嚴(yán)重，冒頂塊體體積增大，均超過(guò)2m3，嚴(yán)重影響工作面的正常生產(chǎn)。

2工作面煤壁片幫冒頂因素分析

工作面開(kāi)采后，周圍巖體內(nèi)的應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞從而引起圍巖應(yīng)力的重新分布，當(dāng)巖體承受的應(yīng)力大小超過(guò)其承受能力后，巖體將發(fā)生破壞。由于松軟煤層煤體較為破碎，承載能力較弱，受到工作面的回采與來(lái)壓影響，煤體極易破壞冒落，導(dǎo)致工作面出現(xiàn)嚴(yán)重的片幫、冒頂?shù)痊F(xiàn)象。

2.1片幫影響因素分析

2.1.1煤體自身結(jié)構(gòu)因素。為得到工作面煤體強(qiáng)度，在現(xiàn)場(chǎng)收集煤塊，進(jìn)行切割打磨后采用伺服壓力測(cè)試系統(tǒng)對(duì)煤體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試煤樣共3組，測(cè)試結(jié)果如表1所示。從結(jié)果可以看出，3#煤層抗壓強(qiáng)度在3.4～6.3MPa范圍內(nèi)，屬于軟弱煤層，另外4305工作面開(kāi)采范圍內(nèi)，煤體內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育較多。采用TYGD10巖層鉆孔探測(cè)儀進(jìn)行鉆孔窺視，現(xiàn)場(chǎng)窺視結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，煤體內(nèi)裂隙以垂直裂隙為主，局部位置垂直裂隙貫穿整個(gè)煤層，導(dǎo)致煤體水平方向連續(xù)性較差，當(dāng)工作面開(kāi)采至裂隙發(fā)育位置時(shí)，煤體將沿著裂隙出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。

2.1.2工作面超前支承應(yīng)力因素。工作面開(kāi)采過(guò)程中，周圍巖體應(yīng)力分布如圖3所示。煤壁超前區(qū)域?qū)儆趹?yīng)力升高區(qū)，具體表現(xiàn)為煤壁內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是工作面發(fā)生來(lái)壓時(shí)。當(dāng)工作面支架移架時(shí)，支架高度會(huì)降低，頂板此時(shí)失去支撐物出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，導(dǎo)致煤壁承受的應(yīng)力進(jìn)一步增大，由于煤體承載能力較低，容易發(fā)生破壞出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果，煤壁片幫現(xiàn)象主要集中在頂板發(fā)生周期來(lái)壓后，并且片幫巖塊體積增大，片幫現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

2.1.3工作面開(kāi)采工藝因素。工作面采煤機(jī)割煤時(shí)，前滾筒割煤高度為3.2m，沿底板進(jìn)行割煤，剩余2.03m的頂煤靠其自重垮落，因此工作面煤壁形狀不一，支架護(hù)幫板無(wú)法對(duì)煤壁起到很好的支撐作用，加之移架過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)空頂情況，導(dǎo)致煤壁承載加大，出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。

2.1.4工作面開(kāi)采高度因素。表2為工作面在推進(jìn)過(guò)程中煤壁的片幫情況，從表中結(jié)果可以看出，當(dāng)開(kāi)采高度大于4.5m時(shí)，煤壁片幫現(xiàn)象較多，這是由于工作面采高的增大，實(shí)體煤區(qū)域承受頂板的載荷更大，并且煤層強(qiáng)度較低，受工作面采動(dòng)影響，煤體內(nèi)裂隙發(fā)育較多，易出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。

2.2冒頂因素分析

工作面在推進(jìn)過(guò)程中，在裂隙發(fā)育區(qū)域與煤壁片幫區(qū)域有冒頂現(xiàn)象發(fā)生，冒頂因素主要包括煤壁片幫、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以及煤層采高三方面。

煤壁片幫因素。當(dāng)工作面煤壁出現(xiàn)片幫時(shí)，工作面頂板出現(xiàn)空頂區(qū)域，由于液壓支架無(wú)法及時(shí)對(duì)空頂區(qū)域進(jìn)行支撐，頂板容易出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。工作面頂板冒頂一般發(fā)生在煤壁片幫之后，與片幫現(xiàn)象有著一定的時(shí)間聯(lián)系。

區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造因素。4305工作面在推進(jìn)過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)斷層構(gòu)造地帶，而在斷層地帶煤層頂板破碎程度較大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，工作面推進(jìn)至150m時(shí)，冒頂現(xiàn)象最為嚴(yán)重，冒落巖塊高度最大達(dá)到3.5m。結(jié)合4305工作面地質(zhì)條件，在該位置存在高差為1.5m的斷層，導(dǎo)致工作面頂板比較破碎，易出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。

采高因素。4305工作面在開(kāi)采過(guò)程中，開(kāi)采高度變化較大，特別是在機(jī)尾位置。根據(jù)對(duì)采高的測(cè)量，工作面最大開(kāi)采高度達(dá)到6.5m，最小為4.2m。受到工作面采高的影響，工作面液壓支架在移架過(guò)程中升架高度在不斷地變化，在支架的作用下頂板破碎程度增大，穩(wěn)定性降低，并且支架移架時(shí)長(zhǎng)增大，煤壁前方空頂時(shí)間增長(zhǎng)，頂板在無(wú)支撐作用下易出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。

3治理措施

根據(jù)上述對(duì)工作面煤壁片幫與冒頂影響因素的分析，結(jié)合4305工作面現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，提出治理措施具體如下：

工作面開(kāi)采過(guò)程中，采用打木錨桿的方式對(duì)煤壁進(jìn)行支護(hù);同時(shí)改變工作面割煤方式，改為雙滾筒割煤，前滾筒割頂煤，后滾筒割頂煤，防止懸掛煤體出現(xiàn)，改善煤壁形態(tài)，從而在支架打開(kāi)護(hù)幫板時(shí)能夠及時(shí)對(duì)煤壁進(jìn)行支護(hù)，防止煤壁處空頂現(xiàn)象出現(xiàn)。

采用超前注漿的方法對(duì)頂板進(jìn)行加固。注漿材料選擇為水泥材料，水與材料按比例為1∶1進(jìn)行混合，即水與材料的質(zhì)量分別為1t。由于冒頂主要發(fā)生在機(jī)尾位置，因此在工作面煤壁超前位置從回風(fēng)巷內(nèi)向煤層頂板打注漿孔，注漿孔深度為6m，直徑為60mm，與煤層頂板水平夾角在30°～45°范圍內(nèi)。由于4305工作面巷道為矩形斷面，寬×高為6.0m×5.2m，因此注漿孔的間、排距為2.5m。注漿鉆孔布置如圖4所示。

在工作面推進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)頂板處于凹凸不平狀態(tài)且煤壁有片幫情況存在時(shí)，對(duì)頂板采取二次支護(hù)措施，在頂板“凹入點(diǎn)”打錨索或采用木垛進(jìn)行支撐，保證無(wú)空頂情況的存在。

對(duì)工作面開(kāi)采煤層的厚度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提前預(yù)測(cè)煤層厚度的變化，支架支撐高度需嚴(yán)格控制，當(dāng)煤層厚度較大時(shí)，可降低煤層開(kāi)采高度，防止工作面煤層厚度突然變小時(shí)支架前移困難的情況出現(xiàn)。

在確定工作面煤壁片幫與頂板冒頂治理措施后，在4305工作面現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)踐，并對(duì)工作面推進(jìn)過(guò)程中片幫與冒頂現(xiàn)象進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，采用上述治理措施后，工作面煤壁片幫與冒頂現(xiàn)象明顯減少，頂板無(wú)大面積冒落現(xiàn)象出現(xiàn)，且工作面在回采期間煤壁無(wú)大型塊體片幫現(xiàn)象出現(xiàn)，煤壁形態(tài)有了很大改善。

4結(jié)論

（1）對(duì)4305工作面片幫與冒頂?shù)挠绊懸蛩剡M(jìn)行了分析，其中片幫影響因素為：煤體自身結(jié)構(gòu)、工作面超前支承應(yīng)力、開(kāi)采工藝、開(kāi)采高度等;冒頂影響因素為：煤壁片幫、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、采高等。

（2）設(shè)計(jì)了4305工作面煤壁片幫與冒頂治理方案。加入煤壁支護(hù)方式，改變工作面割煤方式，此外采用超前注漿的方法對(duì)頂板進(jìn)行加固，還對(duì)頂板不平與采高不同情況下的治理措施進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

（3）制定了4305工作面片幫與冒頂治理方案并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)踐，根據(jù)方案實(shí)施后的監(jiān)測(cè)結(jié)果，工作面煤壁片幫與冒頂現(xiàn)象明顯減少，表明該治理方案能夠?qū)ζ瑤团c冒頂起到一定的控制作用，對(duì)礦井的安全、高效生產(chǎn)具有一定的意義。

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