綜放工作面漏頂、片幫機(jī)理分析及防治措施研究

韓 勤

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

伯方煤礦采用綜采放頂煤全部垮落法采煤工藝，現(xiàn)采3#煤層，煤層平均厚度5.5m，割煤高度2.8m，放煤高度2.7m，采放比1:0.96，采用一面兩巷U型布置方式，支護(hù)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，煤層普氏系數(shù)1～1.5。從歷年實(shí)際生產(chǎn)情況來(lái)看，礦井煤層松軟，裂隙發(fā)育，片幫、冒頂時(shí)有發(fā)生，造成工作面推進(jìn)慢，安全系數(shù)差，尤其孤島工作面生產(chǎn)更為嚴(yán)重，直接影響工作面安全、高效生產(chǎn)。對(duì)此，探究綜放工作面漏頂現(xiàn)象及片幫現(xiàn)象力學(xué)機(jī)理，并研究一系列行之有效的措施來(lái)防治這些現(xiàn)象也顯得越來(lái)越重要。

1 漏頂現(xiàn)象力學(xué)分析

1.1 開(kāi)采煤層狀態(tài)分區(qū)

采用放頂煤開(kāi)采方式進(jìn)行采煤作業(yè)時(shí)，會(huì)改變煤體的初始穩(wěn)定平衡應(yīng)力狀態(tài)，使放頂煤工作面各處煤體具有不同的應(yīng)力狀態(tài)與物性狀態(tài)。通常情況下，由回采工作面起，煤體從近到遠(yuǎn)所處的狀態(tài)區(qū)域依次為松動(dòng)區(qū)、破碎區(qū)、破裂區(qū)、塑性區(qū)以及彈性區(qū)，如圖1所示。一般隨煤層所在應(yīng)力場(chǎng)的不同與其物理力學(xué)性質(zhì)的不同，這也會(huì)使煤壁及端面頂煤具備不同的物性狀態(tài)。通常經(jīng)綜放回采工藝開(kāi)采后的工作面四周煤壁和端面頂煤大多會(huì)處于松動(dòng)、破碎甚至破裂狀態(tài)[1]。

圖1 煤層物理狀態(tài)分析

1.2 工作面漏頂?shù)牧W(xué)機(jī)理

通過(guò)上述分析可知，采用放頂煤工藝進(jìn)行采煤作業(yè)時(shí)，會(huì)嚴(yán)重破壞工作面四周的煤壁與端面頂煤，嚴(yán)重削弱工作面煤巖體自身承載力。在實(shí)際生產(chǎn)中，在回采工作面位置特殊性的影響下及生產(chǎn)工藝條件局限性的影響下，時(shí)常很難借助支護(hù)措施來(lái)給煤壁及相關(guān)端面頂煤進(jìn)一步施加有效圍壓，無(wú)法讓煤層處于三向受壓狀態(tài)。在回采作業(yè)及放頂擾動(dòng)的影響下，便極易出現(xiàn)端面頂煤冒落及工作面煤壁片幫現(xiàn)象，對(duì)于端面頂煤的漏冒主要包括兩種情況，具體為：端面的關(guān)鍵塊體出現(xiàn)失穩(wěn)發(fā)生垮落現(xiàn)象與破碎成松散狀態(tài)的煤體出現(xiàn)直接冒落現(xiàn)象。

如果在放頂煤作業(yè)中，工作面處的端面頂煤大多破裂為較大塊體，頂煤所具有的力學(xué)特征就會(huì)與塊體力學(xué)原理相符，若此時(shí)有部分關(guān)鍵塊體出現(xiàn)在端面頂煤塊體中，頂煤就易出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，其中這些關(guān)鍵塊體的形狀情況，大小情況會(huì)對(duì)端面頂煤的冒落高度及實(shí)際冒落范圍大小產(chǎn)生直接影響，具體可如下圖2所示。而對(duì)于端面頂煤而言，其關(guān)鍵塊體是否能出現(xiàn)主要受頂煤中水平擠壓力、煤層內(nèi)摩擦角等因素的影響。端面頂煤為破碎狀態(tài)時(shí)，其力學(xué)特征會(huì)與散體介質(zhì)相似，當(dāng)受到足夠水平擠壓力的擠壓后，因受重力作用的影響端面下部的煤體便會(huì)出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，時(shí)常會(huì)產(chǎn)生如下圖3所示的平衡拱結(jié)構(gòu)。參照散體介質(zhì)的相關(guān)力學(xué)原理我們可知，煤體的性質(zhì)及端面空頂距的大小等都會(huì)對(duì)冒落拱的高度產(chǎn)生重要影響[2]。

圖2 端面關(guān)鍵塊體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)冒落圖

圖3 端面散體狀冒落圖

2 煤壁片幫力學(xué)機(jī)制

因放頂煤工作面四周煤壁與端面頂煤在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，都處于一種強(qiáng)度破壞狀，很多煤體自身承載能力會(huì)顯著下降，甚至部分煤體已根本沒(méi)有承載能力，加之在所處特殊位置的影響下及受相關(guān)生產(chǎn)工藝條件的影響，給工作面煤壁及相關(guān)端面頂煤施加有效的圍壓較難，很難讓其為三向受壓狀，這樣因受采動(dòng)影響及放頂煤作業(yè)擾動(dòng)影響，工作面煤壁時(shí)常會(huì)出現(xiàn)各種各樣的片幫垮落現(xiàn)象，常見(jiàn)的形式主要有壓剪式片幫、劈裂式片幫、滑落式片幫或者橫拱式片幫等。下面就詳細(xì)分析一下這些片幫形式的具體力學(xué)機(jī)理。

2.1 壓剪式片幫力學(xué)機(jī)理

當(dāng)工作面煤壁處的煤體，因受放頂煤采動(dòng)影響出現(xiàn)小程度破碎時(shí)，這些煤體仍會(huì)有些殘余強(qiáng)度，勉強(qiáng)可以維持原狀，而當(dāng)有較大支承壓力作用于這部分煤體時(shí)，這些煤體可能會(huì)出現(xiàn)剪切滑移式片幫，具體如下圖4所示。若用β代表煤壁與剪切滑移面間角度，用φ代表回采煤體內(nèi)摩擦角。依據(jù)庫(kù)侖—摩爾強(qiáng)度理論，可用下式來(lái)計(jì)算煤壁與剪切滑移面間角度關(guān)系[3]。

若用M來(lái)代表采高，△α表示最大片幫深度，則：

圖4 煤壁發(fā)生壓剪、滑落式片幫示意圖

2.2 重力滑落式片幫力學(xué)機(jī)制

若因受采動(dòng)影響，位于煤壁處的煤體出現(xiàn)嚴(yán)重破碎現(xiàn)象，這些煤體便會(huì)幾乎失去殘余強(qiáng)度，這時(shí)在煤壁自身重力的影響下，其時(shí)常會(huì)出現(xiàn)滑落式片幫現(xiàn)象，通常最終會(huì)變成像圖4中所示的散體介質(zhì)自然安息狀態(tài)存在。借助散體介質(zhì)理論進(jìn)行深入分析，我們可得出：滑落安息角a通常會(huì)等同于煤體內(nèi)摩擦角φ，至于煤壁的最大片幫深度，可應(yīng)用下式來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

2.3 劈裂式片幫力學(xué)機(jī)制

有部分煤體未完全遭破壞，但裂隙發(fā)育程度較高，且在結(jié)構(gòu)上垂直于層理，這部分煤體時(shí)常會(huì)因被揭露，使其橫向約束作用丟失，發(fā)展成一種平面雙向應(yīng)力態(tài)，當(dāng)有支承壓力作用于煤壁時(shí)，通常就會(huì)發(fā)生劈裂式片幫垮落現(xiàn)象，此現(xiàn)象具體如下圖5所示。在此現(xiàn)象中，有很多因素都會(huì)影響煤壁實(shí)際片幫深度。這些因素主要包括：煤體強(qiáng)度因素、采高因素、裂隙分布因素以及支承壓力因素等，煤壁之所以會(huì)發(fā)生劈裂片幫通常都是這些因素綜合作用的結(jié)果[4]。

圖5 煤壁劈裂式片幫示意圖

2.4 橫拱形片幫力學(xué)機(jī)理

依據(jù)工程巖體受圍壓擾動(dòng)而發(fā)生破壞的原理可知，當(dāng)回采煤體遭揭露后，通常會(huì)出現(xiàn)向外突然鼓出的形變現(xiàn)象，對(duì)于這種現(xiàn)象究其原因通常是因橫向膨脹力作用于煤體的結(jié)果。以普氏冒落拱理論為基礎(chǔ)，可知若放頂煤煤體已處于全部破碎狀，但所破碎的塊體較大時(shí)，在垂直層理的影響下，煤壁也時(shí)常會(huì)出現(xiàn)橫拱形片幫垮落，下圖6為該種垮落形式的片幫示意圖，若用M表示采高，f表示普氏系數(shù)，那么可按下式來(lái)計(jì)算最大片幫深度：

圖6 橫拱形片幫示意圖

3 防治綜放工作面漏頂、片幫的措施

3.1 力學(xué)方面的措施

經(jīng)上述分析，可知綜放工作面出現(xiàn)端面頂煤漏冒及發(fā)生煤壁片幫現(xiàn)象，其主要原因通常是因煤體出現(xiàn)了非連續(xù)性物性狀態(tài)與處于了無(wú)圍壓應(yīng)力狀態(tài)。而采用放頂煤生產(chǎn)工藝進(jìn)行采煤作業(yè)時(shí)，煤體的非連續(xù)性物性狀態(tài)在所難免。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，只能對(duì)煤壁及端面頂煤的實(shí)際受力狀況進(jìn)行科學(xué)、合理的改善，才能減少甚至避免端面頂煤冒漏現(xiàn)象及煤壁片幫現(xiàn)象，在日常生產(chǎn)作業(yè)中，可從降低煤壁實(shí)際支撐壓力，讓無(wú)圍壓煤體范圍縮小，強(qiáng)化端面頂煤水平擠壓等多方面入手，來(lái)防治綜放工作面發(fā)生漏頂、片幫現(xiàn)象[5]。

3.2 操作技術(shù)方面的措施

通過(guò)深入研究防治綜放工作面端面頂煤漏冒現(xiàn)象及煤壁片幫現(xiàn)象的力學(xué)途徑，可采用下述兩種措施來(lái)進(jìn)一步防治端面頂煤發(fā)生漏冒現(xiàn)象及煤壁片幫現(xiàn)象。

（1）一方面應(yīng)科學(xué)、合理地布設(shè)工作面支架，讓其護(hù)幫作用、護(hù)頂能力及支撐潛力得到充分發(fā)揮；

（2）另一方面應(yīng)做好工作面開(kāi)采方案的設(shè)計(jì)工作，最好不要把工作面設(shè)計(jì)為仰斜開(kāi)采，并應(yīng)對(duì)回采煤體自由面與重力間的彼此空間關(guān)系進(jìn)行科學(xué)、合理改善，以確保支架施加給頂煤的水平作用力足夠大。

具體可采取下列技術(shù)措施來(lái)更好的防治綜放工作面發(fā)生漏頂、片幫現(xiàn)象：

（1）可借助及時(shí)移架來(lái)讓端面頂煤的實(shí)際空頂距變小，同時(shí)縮小冒頂高度。

（2）最大限度的縮小空頂距，讓煤壁與支架科學(xué)布設(shè)，構(gòu)成一有效的力學(xué)支撐體系。

（3）讓支架的前探梁及具有的護(hù)幫板起動(dòng)應(yīng)有的作用，需用到時(shí)應(yīng)能及時(shí)伸出，來(lái)有效防止頂煤發(fā)生冒空現(xiàn)象，且應(yīng)使頂煤具有足夠的水平作用力。

（4）通過(guò)進(jìn)一步加大工作面支架的實(shí)際初撐力與工作阻力來(lái)使它們應(yīng)有的支撐能力得到充分發(fā)揮，以降低煤壁內(nèi)部的支承壓力，以降低煤壁片幫垮落的可能性。

（5）借助帶壓移架，并努力提升支架推移能力，以確保頂板可長(zhǎng)期受到足夠的水平作用力與垂直作用力，并盡量減少多次對(duì)頂煤進(jìn)行加、卸載。

（6）加強(qiáng)工作面頂板周期來(lái)壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，提前采取補(bǔ)強(qiáng)措施。

（7）針對(duì)冒頂區(qū)域較小可采用在支架前穿插木梁、鋼管等方式控制架前冒頂；對(duì)于大面積冒頂，可采用頂板超前化學(xué)注漿技術(shù)提高圍巖承載能力，效果顯著，但材料成本費(fèi)相對(duì)較高，投入較大。

（8）同時(shí)要加強(qiáng)工作面交接班質(zhì)量驗(yàn)收管理，冒頂區(qū)域當(dāng)班必須處理，不能遺留至下一班，形成惡性循環(huán)。

（9）保證工作面正規(guī)循環(huán)作業(yè)，減少停產(chǎn)時(shí)間，避免煤體長(zhǎng)時(shí)間受壓，造成冒頂范圍擴(kuò)大。

4 結(jié)語(yǔ)

在綜采放頂煤作業(yè)中，漏頂現(xiàn)象及片幫現(xiàn)象是影響工作面安全、高效生產(chǎn)的重要因素，而要想更好的防治綜放工作面的端面漏頂及煤壁片幫現(xiàn)象，必須深入了解工作面漏頂及片幫現(xiàn)象力學(xué)機(jī)理，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)。這樣才能做好綜放工作面的漏頂、片幫現(xiàn)象的防治工作，才能更好地保障綜放工作面的高產(chǎn)、高效。