近距離煤層群重復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 礦業學院，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，且大多采用下行式方法開采。當對近距離煤層群重復采動下的煤層進行回采時，其頂板會受到重復采動損傷影響，多為裂隙結構，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，頂板極易發生冒漏現象，形成大范圍空頂，造成煤壁片幫和頂板壓架等災害，對重復采動下工作面開采構成極大威脅，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采動下端面冒頂的影響因素，確定重復采動下端面冒頂機理，提出有效的控制方法是實現近距離煤層安全開采的必然要求[1-2]。

學者們針對端面冒頂及防治進行了大量研究，魏臻[3]統計分析了典型端面冒頂案例，明確了端面冒頂對采場支架-圍巖結構體系的影響形式與因素，通過研究支架覆巖平衡結構失穩機理，利用相似模擬和數值模擬分析了端面冒頂的各因素影響特征，提出了頂板管理措施的改進建議。鞠金峰等[4]對神東礦區大柳塔煤礦開采時端面頂板冒漏進行了分析，從覆巖關鍵層“懸臂梁”結構運動對端面直接頂作用的角度闡述了端面冒頂的發生機理，并提出了相應的控制對策。方新秋[5]建立了綜放工作面支架與圍巖系統相互作用的力學模型，提出了不同條件下端面頂板穩定性的控制原則，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]采用現場工業性試驗，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，制定了頂板深孔預裂爆破方案，研究了不同深孔預裂爆破厚度下圍巖應力演化規律與有效深孔預裂爆破厚度下超前支承壓力分布。預裂爆破后，工作面下部支架最大載荷和平均載荷降低，支架動載系數發生明顯波動，煤壁片幫得到有效控制。

綜上可知，現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，殘留煤柱應力集中，煤層底板受到不同程度的損傷破壞，導致下位煤層開采區域的頂板結構和應力環境發生變化，在開采過程中容易出現端面冒頂、煤壁片幫和頂板壓架等災變問題。鑒此，本文從頂板、煤壁、支架3個方面考慮，分析重復采動下端面冒頂的影響因素，利用UDEC模擬軟件模擬不同影響因素下端面冒頂情況，并提出相應的防治措施，為近距離煤層群安全、高效、綠色開采提供科學依據。

1 工程技術條件

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《煤礦安全規程》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號煤層已經回采結束，現在正在回采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 煤層空間位置關系

圖2 巖層綜合柱狀圖

17101工作面自開采以來，先后發生了3次大范圍的冒頂事故。現場統計發現，在工作面的兩端和中間部位均發生過端面冒頂，端面冒頂多發生在液壓支架頂梁端部至煤壁的無支護空間。近距離煤層群重復采動下端面冒頂已經嚴重影響到17101工作面的正常開采，需要從重復采動下端面冒頂的影響因素出發，研究不同影響因素下端面頂板的狀況，提出相應的防治措施，解決17101工作面端面冒頂問題，使近距離煤層群重復采動下的煤層可以安全、高效開采。

2 重復采動下端面冒頂影響因素分析

2.1 重復采動下端面冒頂演化過程

近距離煤層群重復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，重復采動下端面冒頂的演化過程如下：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，并產生塑性變形破壞，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域內，由于該區域長時間暴露，受損頂板應力降低，水平層理張開，頂板下沉量增大，在滿足失穩條件時易發生頂板冒落。

在重復采動下端面冒頂的演化過程中，沿工作面推進方向上損傷頂板出現不同分區屬性，尤其是在采場端面頂板弱支撐區域的應力降低和在液壓支架頂梁上方受到的支架支撐力的作用，使重復采動下端面頂板結構特征發生了較明顯的區分特點。采場頂板分區如圖3所示，圖中q為上覆巖層對頂板的壓力。沿17號煤層到采空區方向，可依次將頂板劃分為裂隙發育區、端面頂板弱支護區、頂梁擠壓區、頂板垮落區。

圖3 采場頂板分區

2.2 重復采動下的端面冒頂影響因素分析

從頂板分區結果可知，端面頂板弱支護區易發生端面冒頂，弱支護區的頂板性質、暴露距離、暴露時間影響端面頂板穩定性，頂板性質對應頂板強度，暴露距離對應端面距，暴露時間對應推進速度，因此，端面冒頂防治研究應考慮頂板強度、端面距與推進速度。從重復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的關鍵控制對象，應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定性的關系考慮端面頂板的穩定性，對端面頂板弱支護區進行及時控制，明確了近距離煤層群重復采動下端面冒頂的影響因素，即頂板-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定性數值模擬研究

利用UDEC數值模擬軟件研究不同影響因素下端面頂板穩定性的情況，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，建立平面應變力學數值模型，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。數值模型如圖5所示，煤巖體力學參數見表1，節理物理力學參數見表2。

表1 煤巖體力學參數

表2 節理物理力學參數

圖5 數值模型

3.2 頂板-圍巖強度對端面冒頂的影響

受15、16號煤層開采的影響，17號煤層頂板裂隙發育影響端面頂板冒漏。重復采動下覆巖裂隙發育情況如圖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的兩端、裂隙分布密集區域，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、煤壁的穩定性[9]。

圖6 重復開采下覆巖裂隙發育情況

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，端面頂板仍不穩定，影響工作面生產正常。當頂板-圍巖強度增加量為1.0 MPa時，頂板下沉量小，煤壁只發生了輕微變形，支架支護狀態良好，工作面生產正常。當頂板-圍巖強度增加量為1.5 MPa時，頂板、煤壁狀態良好，端面頂板變形小，支架支護狀態正常。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的影響

對于重復開采來說，頂板已經受到了損傷破壞，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的重要原因之一。因此，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[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，端面頂板極易發生冒漏，頂板變形嚴重，煤壁發生片幫，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，頂板相對穩定，下沉量很少，煤壁未出現片幫現象，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，頂板穩定，頂板煤壁的位移變化量很小，可以看到頂板已經得到完整的控制。

(a)支架工作阻力為6 000 kN

3.4 不同推進速度對端面冒頂的影響

工作面推進速度是影響重復采動下端面頂板穩定性的重要因素之一，需掌握工作面推進速度與重復采動下端面頂板穩定性的關系，采取合理的手段進行控制，預防端面冒頂。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的發生概率在增加。由此說明，在工作面推進過程中，推進速度對現場施工有著極大影響，在保證施工安全的前提下，應使工作面推進速度盡可能快，盡量減少不必要的停產，從而保證端面頂板與煤壁的相對穩定，防止端面冒頂事故發生。

(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的影響

端面距為端面冒頂的重要影響因素，端面冒頂與端面距呈線性相關，冒落高度隨著端面距的增大而增加[12]。從頂板分區中可看出，端面頂板區域為工作面弱支護區，端面距直接影響工作面弱支護區的大小，端面距越大，工作面弱支護區越大，增加了煤壁片幫發生概率并引發端面頂板冒漏。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律，分析不同端面距對重復采動下支架-圍巖關系的影響。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，端面頂板開始出現頂煤冒漏和煤壁片幫，端面控制開始出現一些困難。當端面距為2.0 m時，頂板出現大面積的垮落，煤壁片幫嚴重影響端面冒頂，造成頂板下沉急劇增加，端面已經難以控制，導致端面頂板冒漏。因此，端面距越小，端面頂板越穩定，但是端面距太小也會影響到工作面的正常開采，根據該礦的地質條件，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 重復采動下端面冒頂防治措施

根據以上分析結果可知，在近距離煤層群重復采動過程中工作面發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，預防頂板冒漏是工作面圍巖控制的關鍵。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，容易出現支架前端頂板冒落，從而引發頂板冒落與煤壁片幫等災害，造成采場無法正常生產。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，鋼絲網固定在煤巖體中，形成一個具有一定承載能力的空間網格結構，作為破碎頂板新的加固層。重復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。在現場觀測中發現，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的重要原因[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)設計液壓支架時，設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)加強支護質量監測，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，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，支架操作人員應觀察支架的壓力表，保證充足的作業時間，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，防止端面冒頂的發生。

4.3 推進速度的合理控制

模擬結果表明，工作面推進速度對端面頂板穩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生概率。采場生產應該嚴格按照正規循環作業進行，并且采取合理有效的防治措施，保證工作面快速順利回采，確保端面頂板的穩定可靠。在工作面實際開采中，應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，應當選擇在頂板條件良好的區域停產。

4.4 端面距的減小

模擬結果發現，減小液壓支架前端的空頂區域，有利于增強采場端面頂板的穩定性，從而防止采場發生煤壁片幫和端面冒頂等災害。依據現場實際觀測情況，應從以下幾個方面來控制端面距的范圍，以保證端面頂板、煤壁的穩定性。

(1)控制采煤機截割深度，根據數值模擬結果,采煤機的截深應控制在1.0 m以內。

(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，液壓支架應該處于微仰狀態，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、極易發生端面冒頂的難題。

通過以上措施的應用，使得17101工作面的端面冒頂得到了有效的控制，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、高效開采提供技術保障。

5 結論

(1)通過對重復采動下端面冒頂演化過程分析、采場頂板分區與“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的主要影響因素。

(2)利用UDEC軟件模擬分析不同影響因素對重復采動下端面冒頂的影響，結果表明：重復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，容易出現支架前端頂板冒落，引發頂板冒落與煤壁片幫等災害，頂板-圍巖強度越大，頂板的穩定性越好；液壓支架工作阻力偏低是造成工作面端面冒頂的重要原因之一，液壓支架工作阻力越大，端面頂板越穩定；工作面推進速度對端面頂板穩定性具有明顯的影響作用，工作面推進速度越慢，采場頂板下沉現象越嚴重；端面距為端面冒頂的重要影響因素，端面冒頂與端面距呈線性相關，冒落高度隨著端面距的增大而增加，端面距越小，端面頂板越穩定，但是端面距太小也會影響到工作面的正常開采，應根據實際情況來確定。

(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，這些措施的應用，使工作面的端面冒頂得到了有效控制，為近距離煤層群重復采動下端面冒頂提供了解決方法。