大傾角孤島開采工作面端面煤巖體控制實踐

裴 暉

(山西汾西礦業集團水峪煤業，山西 孝義 032300)

引 言

煤炭資源在我國能源消費結構中的比重一直占據主導地位，距測算，至2030年，煤炭在我國一次能源消費中所占的比例仍會達到70%左右。但是，在我國一些服務年限較長的老礦區，隨著優質資源的不斷開采，一些淺埋煤層或近水平煤炭資源逐漸枯竭，因而不得不轉而開采深部、大傾角或其他復雜地質條件的煤炭資源。同時，在開采過程中，由于地質生產條件及采煤技術所限，有時候會不可避免地出現孤島工作面，孤島工作面的巷道支護及端面煤巖體控制受特殊礦山壓力影響，存在較大困難[1-3]。本文針對某礦大傾角孤島開采工作面的端面煤巖體控制問題展開研究。

1 工程概況

某礦1523工作面開采2#煤層，煤層傾角達25°～40°，且其臨近1521及1525工作面已回采完畢，為典型大傾角孤島開采工作面。本工作面煤層賦存穩定，厚度平均2.7 m。煤層直接頂為泥巖及泥質粉砂巖，厚2 m～6 m，節理裂隙發育，賦存不穩定，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，且由于工作面傾角大，礦山壓力顯現劇烈，同時工作面直接頂為泥巖及泥質粉砂巖，須加強端面頂板管理。

2 端面煤巖體控制難點分析

1523工作面地質條件復雜，除大傾角孤島開采外，工作面范圍內還分布有落差在2.5 m以上的斷層3條，落差在1.6 m以下的斷層十余條，且由于缺乏孤島開采經驗，導致工作面推采速度較慢，且支架—圍巖工況較差，端面煤巖體控制困難，且在工作面推采初期，曾發生過較嚴重的端面冒頂事故，冒落范圍達到16 m，冒落高度最大處達到6 m，對礦井的安全高效回采造成了嚴重威脅，事故片幫冒頂狀況如圖1所示。

圖1 1523工作面片幫冒頂事故

根據工作面具體地質生產條件，查閱相關文獻[4-6]，分析得出1523大傾角孤島開采工作面的端面煤巖體控制難點如下。

1) 支承應力疊加。孤島開采工作面受相鄰兩側采空區側向支承應力及本工作面推采超前支承應力疊加影響，應力環境復雜，在整個工作面范圍內應力呈現馬鞍形分布，垂直應力集中系數值超過2.0，水平應力集中系數值超過1.5。受應力集中影響，支架—圍巖系統所承受的壓力成倍增加，當超過系統承受上限或支架—圍巖工況較差時，就會導致支架—圍巖事故的發生，尤其是在頂板來壓期間，更是造成事故發生的頻發時期。

2) 端面煤巖體松散破碎。端面煤巖體節理裂隙發育，受疊加支承應力影響，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，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，使得端面煤巖塊體承受較大剪力，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。

3) 支架—圍巖工況較差。由于工作面傾角較大，支架支護傾角較大，支架自身沿垂直方向的分力較小，而沿傾向方向的分力增大，容易導致支架接頂不實、支撐弱化、支架擠架咬架甚至倒架等，特別是當工作面發生片幫冒頂事故時，更會導致支架的支撐效果弱化，從而引起支架支護狀態與冒頂片幫事故的惡性循環。同時，由于工作面所使用的液壓支架服務年限較長，設備老化，故障頻發，支護可靠性差，加劇了支架—圍巖工況的惡化。

3 端面煤巖體控制綜合方案

1) 確保液壓支架的支護強度。對于普通工作面來說，支架的支護強度非常關鍵，而對于大傾角孤島工作面，其重要性更是不言而喻。必須保證支架初撐力不低于標準值，同時加強支架接頂管理，防止支架接頂不實，現場避免頻繁操作支架，同時使用帶壓擦頂移架，防止支架操作對頂板的頻繁擾動，惡化支架支護效果。

2) 確保液壓支架的支護狀態。保障支架的合理端面距至關重要，一般不得超過0.3 m，使用好前探梁及護幫板，對割煤后暴露的頂板及煤幫及時支護，同時對于頂梁臺階、支架錯距、擠架咬架、頂梁俯仰角等參數進行合理控制，確保合理的支護狀態，當出現端面冒頂片幫時應及時接頂、護幫處理，防止因處理不及時導致事故惡化。

3) 確保支架故障的及時排除。液壓支架故障不可避免，尤其是對于服務年限較久的老舊支架，更應該加強日常的故障排查及檢修，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，將對支架的工作狀態造成不利影響，應及時加以排除。

4) 1523工作面在整個回采期間高度重視端面煤巖體控制及支架—圍巖工況的維護，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，在后續的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

孤島開采工作面防范冒頂片幫事故的關鍵在于控制良好的支架—圍巖關系，支架—圍巖關系控制失效，就會導致端面冒頂片幫事故的發生及惡性循環。現場管理中應著重加強液壓支架的支護狀態，確保支架有效接頂，同時對于支架擠架、咬架現象及時處理，防止出現倒架事故，還應加強液壓支架的故障維修，防止支架因故障而導致的支護失效。同時還應重視微小事故，對于小范圍的片幫、冒頂現場提高重視，及時處理，防止事故的惡化，從而避免嚴重事故的發生。