近距离煤层采空区下片帮冒顶控制技术

2013-08-31李志刚高圣元李春睿

采矿与岩层控制工程学报 2013年4期

李志刚，高圣元，李春睿

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

近距离煤层开采可分为顺序回采和联合同采两种，顺序回采即先采完上一层煤后再回采下位煤层，而联合同采一般是两层煤保持一定的错距同时进行回采［1］。黄白茨煤矿9号与10号煤层间距目前开采10号煤层的1016工作面，其上方9号煤层已于1年前回采完毕，属于顺序回采的近距离煤层。当进行近距离煤层开采时，根据层间距离的大小，其相互间的影响程度也不同。煤层间距较大时，上位煤层对下位煤层开采的影响程度很小，开采方式、矿压、围岩控制手段等基本不受上位煤层的制约，但当两煤层距离很近时，下位煤层在开采之前，其顶板早已损伤破坏，工作面围岩应力环境与单一煤层开采相比发生较大改变，开采时经常发生片帮冒顶等事故，巷道维护困难。

1 黄白茨矿近距离采面地质概况

1.1 煤层赋存状况

黄白茨煤矿1016工作面开采10号煤层，煤层倾角6°，10号煤层厚1.59～2.11m，平均1.85m，煤层结构较为复杂，夹矸厚度变化较大，岩性为泥岩，煤层顶部有较多黄铁矿结核，局部有冲蚀现象，煤层内生裂隙发育，易产生片帮。

1.2 层间关系

10号煤层和9号煤层间距非常小，仅为1.28m左右。1016工作面处于9号煤层采空区下，上位9号煤层中0916工作面和0918工作面开采时形成了宽度约为14m的两侧采空的窄煤柱，如图1所示。

图1 1016工作面及上方采空区位置

1016工作面采用综合机械化采煤，走向长壁后退式回采方法，顶板为全部自然垮落。工作面上方顶板为黏土岩，且局部为再生顶，特别破碎，严重影响到工作面的推进速度和工作面巷道的维护。在工作面回采期间经常发生漏顶事故，因此，研究该近距离煤层开采时片帮冒顶原因及防漏顶技术具有重要意义。

2 上煤层对下煤层的影响范围计算

上层煤开采时对下层煤的顶板产生了扰动，其向下破坏范围可根据滑移线场理论进行评估，破坏范围为一对数螺旋线［2］，如图2所示。过渡区的两组滑移线所夹锐角为90°－φ，则与辐射直线相交的那组滑移线满足，即有

图2 近距离煤层影响范围

为了计算上工作面回采时支承压力对底板的屈服破坏深度，如图3所示建立模型。

图3 支承压力所形成的底板屈服破坏深度

底板最大屈服破坏深度hmax按下式求得［4］:

即 tanφf=

根据极限平衡理论获得的煤壁塑性区宽度x0为［4］

由上两式确定上部煤层开采时底板岩层最大屈服破坏深度hmax，即采场底板损伤深度

式中，M为煤层开采深度，取236m;k为应力集中系数，实测3.2;γ为采场上覆岩层的平均密度，2430kg/m3;H为煤层埋藏深度，630mm;C为煤体的黏聚力，2.9MPa;φ为煤体的内摩擦角，48°;f为煤层与顶底板接触面摩擦系数，0.33;ξ为三轴应力系数，=5.6;pi为支架对顶板的支护阻力，1.2MPa;φf为底板岩层内摩擦角，56°。

按上述公式计算可得最大塑性破坏深度为2.23m，可知上位9号煤层开采后在支承压力作用下，下位10号煤层主要在Ⅱ区范围内，当Ⅰ区岩体在应力集中作用下超过极限强度，必将力传递至Ⅱ区，Ⅱ区岩体受到挤压后膨胀，且主要表现为水平方向膨胀位移，因此10号煤层开采时，煤壁受到水平推力作用为主，更容易产生片帮现象。

3 工作面片帮冒顶原因分析

在开采下位10号煤层时，除上述围岩应力变化原因更容易造成片帮现象以外，还有如下几方面原因:

(1)直接顶构成状况差 1016工作面直接顶为黑色泥质结构，厚1.28m左右，块状构造，成分主要为泥岩，自身岩性强度低，加上受到9号煤层采动时对底板的影响，造成10号煤层顶板更为破碎，随采随冒，完全不能形成板式结构，煤壁稍有片帮即造成架前顶板大范围冒顶，无法控制。

(2)上位煤柱的应力集中作用 1016工作面上方为0916和0918两个工作面的老采空区，这两个采空区中间曾留设13m宽的煤柱，煤柱下方应力集中更为明显，对下部1016工作面顶板和煤壁造成较为严重的破坏，经计算该煤柱正好处于1016工作面中部62～77号支架的上方，观测发现，1016面煤壁片帮也多发生在60～80号支架处，其他位置很少发生片帮。

(3)顶部采动时对底板的破坏 0916和0918工作面回采时，使用长壁综合机械化方式进行，液压支架和工作面煤壁集中应力对底板造成的破坏很大，再加上10号煤层原生裂隙发育、结构复杂，更加造成了1016工作面顶板的破碎，煤壁疏松。

4 利用综合措施预防片帮冒顶

预计到了10号煤层在回采过程中会有严重片帮冒顶事故，因此采取了预防为主的多种手段，主要包括如下几个方面:

(1)以护为主、及时移架 1016工作面顶板非常破碎，压力较小，因此1016工作面顶板控制的关键不是“支”，而是“护”。工作面采煤机截深为630mm，端面距为250mm左右，支架的伸缩梁行程为800mm，采煤机割过后及时伸出伸缩梁基本可以抵到煤壁，能够有效防止顶板漏顶。因此，采煤机上滚筒割过后将支架的伸缩梁及时伸出护住顶板，支架工随后及时跟机移架。

(2)选择合理的进刀位置 1016工作面的中部压力比工作面其他位置大，片帮也多发生在工作面中部。由于采煤机斜切进刀过程中在斜切段空顶时间较长，因此，避免在工作面中部斜切进刀，应选择压力小不易片帮段进刀。

(3)降低支架顶梁仰角根据现场观测统计，支架顶梁平均仰角 11.2°，伸缩梁的行程为800mm，当伸缩梁全部伸出时顶梁会插入顶板150mm。由于支架顶梁倾角的存在，伸缩梁伸出时经常遇阻，支架工不得不降低支架的高度，这样不仅对顶板进行了一次扰动，而且增加了打伸缩梁的耗时，不利于工作面的及时护顶。为此，支架工注意调节平衡千斤顶的使用，使支架顶梁倾角控制在±5°以内时，效果较好。

(4)发挥平衡千斤顶的调节作用 1016工作面顶板非常破碎，移架后应对平衡千斤顶打压以使支架的支撑合力作用点前移，提高顶梁对前端顶板的承载能力，使端面顶板能够保持较高的黏聚力，有利于端面顶板的稳定。当支架出现“抬头”或“栽头”现象时应通过调整平衡千斤顶的受力改变顶梁的倾角，使支架保持稳定的工况。

(5)安排专人维护支架建立液压支架台帐，根据在线矿压监测系统，每天都有专人分析支架的跑冒滴漏现象，做好日常的维护工作，并将工作面液压支架使用的工况分别登记以备查询，每天机电维修工都必须利用检修时间进行例行检查，将每台液压支架的工况状态和零件的更换情况进行统计，以保证液压支架的正常使用。

5 片帮冒顶的处理

前述措施能够很好地预防近距离煤层的片帮冒顶事故，一旦煤壁侧出现片帮及漏顶时，可采用以下有针对性的技术处理措施:

(1)小范围的片帮冒顶当片帮冒顶范围不大时，可先把支架移到位，清理悬岩危矸，铺设人工假顶，即在顶梁上方架“#”型木垛，但需设专人监护安全。木垛走向要求半圆木的一端顶到煤壁，木垛最下一层的半圆木两端要分别搭在相邻两支架顶梁上，并与顶梁方向垂直。移架时要求同一个木垛下的支架交替前移，移架时采用带压移架的方式、少降快移，尽量使木垛形态完整。

(2)大范围的片帮冒顶当工作面回采过程中遇到顶板大范围冒漏或遇到顶板极破碎区域时，则需要对顶板实施注浆加固措施，注浆钻孔的布置方式按工作面推进过程中，所遇顶板破碎区的大小和破碎程度具体设计。

上述预防及处理措施使10号煤层开采过程中的片帮冒顶事故大大减少，与以往相邻工作面比较，片帮冒顶事故从63次减少到0次，回采时间节省了近3个月，保证了工作面正常生产。