大采高綜采端面煤巖塊體冒落機理及控制研究

李鐵良

(潞安集團安全儀器測試中心，山西 長治 046204)

引 言

我國已探明的煤炭儲量中，厚及特厚煤層的儲量占比及產量占比均達到40%以上，對于保障我國的工業生產及能源供給至關重要。厚及特厚煤層的傳統開采方法為分層開采，隨著裝備及技術的發展，進入新世紀以來，我國煤礦工作者又逐漸提出了大采高綜采及綜放的概念，并不斷進行工程實踐運用，使其在我國各大礦區得到了廣泛應用，為煤礦工業的高產高效做出了突出貢獻。然而，隨著采高的增加，采場端面煤巖體的控制難度也隨之增大，支架-圍巖關系惡化，易出現端面煤巖體冒頂片幫，對安全生產造成重大威脅[1]。本文針對典型大采高綜采工作面的端面煤巖體控制問題展開研究，分析其端面煤巖塊體的冒落機理，并制定控制措施。

1 工程概況

2502大采高綜采工作面開采2#煤層，煤層賦存穩定，厚度3.9 m～4.6 m，平均4.4 m，傾角2°～17°，平均8°。煤層直接頂為泥巖、砂質泥巖，厚2 m～6 m。老頂為中砂巖，厚3 m～10 m。底板為砂質泥巖，厚3 m。工作面采用ZY7600-26/55型掩護式液壓支架，采高4.4 m，工作面最大控頂距5 375 mm，最小控頂距4 575 mm，每刀煤進尺800 mm。工作面采用走向長壁后退式采煤法，采用全部垮落法管理頂板。影響生產的主要構造為斷層和陷落柱，同時工作面直接頂為泥巖及砂質泥巖，須加強頂板管理。

2 端面煤巖塊體冒落機理分析

大采高綜采工作面同普通工作面相比，其最大的不同之處在于由于采高的增加，煤體采出后形成的采空區空間也大幅度增加，因而需要更大厚度的直接頂冒落來充填采空區，故原本能在一定程度上發生彎曲下沉、斷裂擠壓后形成平衡砌體梁結構的老頂亞關鍵層，由于無法觸矸而發生較大程度的下沉并失穩，直至作為直接頂板垮落到采空區內。總的來說，大采高綜采工作面最宏觀的覆巖變化特征是垮落帶高度增大，裂縫帶高度繼續向上發展，直至在更高的關鍵層形成平衡結構，同時其下位巖層的垮冒性增強，不利于端面煤巖體的有效控制。

煤層頂板有大量原生裂隙存在，隨著工作面的推進，超前支承壓力逐漸前移，對工作面前方的煤巖體形成應力擾動，使原生裂隙燈結構弱面不斷發育，并形成了大量的次生裂隙。K1屬于原生裂隙，受應力擾動裂隙增大易導致離層；K2、KK2和K2KK2三種裂隙類型屬于次生裂隙類型，產生原因包括支承壓力、頂板運動和液壓支架支撐擾動等，在產生次生裂隙后端面煤巖塊體易沿著次生裂隙繼續發展直至破壞[2-3]。端面煤巖體裂隙組合示意圖，如圖1所示。

圖1 端面煤巖體裂隙組合示意圖

當采煤機割煤過后，位于煤壁的煤體及煤壁上方的巖體有了臨空面，尤其是煤壁與頂板(端面)交角區域，其受力狀態瞬間變化，使得端面煤巖塊體承受較大建立，并沿裂隙面發生剪切破壞，與內部煤巖體逐漸脫離，此時，由于端面距的存在或支架支護不及時，脫離掉的煤巖塊失去支撐，即發生端面片幫冒頂，此為端面煤巖塊體冒落的基本機理，如圖2所示。

圖2 端面煤巖塊體冒落示意圖

3 端面煤巖體控制措施

3.1 端面關鍵塊體平衡控制措施

端面煤巖體力學性質包括裂隙類型、裂隙角度、裂隙面上摩擦系數和黏結力，端面關鍵塊體鉛垂方向載荷W包括端面其自重和上覆巖層附加載荷。液壓支架指向煤壁方向的水平支護力T能有效地增強塊體抗滑能力，進而防止關鍵塊體滑落破壞的發生[4-5]。根據關鍵塊體的受力平衡分析，可制定其控制措施，如圖3所示。

圖3 端面關鍵塊體平衡控制措施

3.2 現場采取措施及應用效果分析

1) 確保支護強度。確保液壓支架支護強度達標是基本條件，必須首先保證其初撐力不低于規程規定值；其次必須降低支架操作對頂板的擾動程度，采取帶壓移架措施，避免反復升降支架，防止誆頂；三是規范支架操作，確保支架接頂嚴實，初撐力一次升至合格，并正確使用前探梁及護幫板，加強端面煤巖體的支架防護。

2) 確保支架合理位態。首先確保支架梁端距合格(一般不超過0.3 m)，及時移架伸出護幫板，防止因工藝、管理及操作原因導致的梁端距超標；其次確保采高一致，頂梁平直，防止出現頂梁臺階，確保頂板的同步變化，防止局部漏冒頂；三是控制好頂梁俯仰角，使支架能向端面煤巖體提供足夠的水平支護力；四是出現端面冒頂片幫時應及時接頂、護幫處理，防止因不處理或處理不及時不到位導致事故惡化。

3) 確保支架正常工況。液壓支架的穩定工作是保障支架—圍巖狀態的關鍵一環，若支架出現千斤頂漏液、密封件失效、液壓元件內外泄露以及出現其他構件損壞，依靠支架控制斷面煤巖體則難以很好實現，因此，日常工作中應加強管理，每天按照標準對全部液壓支架進行維護，處理故障，確保液壓支架可靠使用。

4) 2502大采高綜采工作面始終將端面煤巖體控制作為工作面工程質量管理的最重要一環來抓，在日常管理中異常強調支護強度的達標、支架幾何位態的管理及液壓支架的日常維護，整個工作面推采過程中僅發生局部輕度片幫冒頂事故，且均在1個生產班內處理完畢，未發生大范圍嚴重冒頂片幫事故，保障了工作面的安全順利生產。

4 結語

大采高綜采工作面端面煤巖體因受多重應力擾動，裂隙高度發育，且位于工作面回采后的塑性區內，易因較大剪應力而發生端面煤巖體片幫冒頂事故，是大采高綜采工作面的管理重點和難點。現場管理中應著重加強液壓支架支護強度、規范液壓支架操作、控制液壓支架幾何位態、加強液壓支架日常檢修維護，確保液壓支架的良好工況，從而保證支架—圍巖系統的穩定性控制，保障工作面的安全順利生產。