综放工作面停采期间片帮冒顶影响因素及防治技术研究

2015-07-30张宝军闫宪磊吴琼

中国高新技术企业 2015年27期

张宝军　闫宪磊　吴琼

摘要：文章以兖矿集团兴隆庄煤矿7306综放工作面为研究对象，针对7306工作面在停采期间频发片帮冒顶这一问题进行了研究；分别从煤的物理性质、地质构造因素、外部围岩应力环境、支架支护情况等方面进行分析，找出导致工作面片帮冒顶发生的影响因素；在此基础上针对各个影响因素提出综合治理措施。

关键词：综放工作面；停采期间；片帮冒顶；煤矿开采；煤层物理性质；地质构造文献标识码：A

中图分类号：TD823 文章编号：1009-2374（2015）27-0162-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.083

1 概述

综放工作面由于开采强度较大，端面片帮冒顶现象时有发生，它不仅会对人员安全造成威胁，还会破坏工作面的机器设备，影响正规循环作业的完成。因此，维护好工作面煤壁及顶板的稳定性是综放工作面在安全生产的基础上实现高产高效的重要课题。就目前来看，国内外许多专家针对综放工作面回采期间的端面片帮，及其冒顶的机理和防治技术措施进行了研究，但对于综放工作面在停采期间这一特殊时期内的片帮冒顶研究相对较少。本文以兖矿集团兴隆庄煤矿7306综放工作面为研究对象，对7306综放在停采期间端面频发片帮和冒顶现象的影响因素进行深入研究，并针对各个影响因素采取相应的切实有效的治理措施，为类似矿井在防治端面片帮冒顶现象提供理论支持和技术指导。

2 工作面概况

兴隆庄煤矿7306综放工作面煤层倾角3°～10°，平均7°，煤厚6.70～9.40m，平均8.58m。煤层普氏系数f在2.3左右，为软～中等硬度煤层，顶底板情况如表1所示：

表1 煤层顶底板情况

工作面位于七采北部，东侧以小厂一号断层为界与东滩煤矿相邻，西侧停采线为5317和5318综放工作面采空区，南侧为7305综放工作面采空区。工作面所采煤层为二叠系月门沟统山西组底部之3煤，以亮煤为主，含暗煤条带，属半亮型煤。采煤方法为倾斜长壁综采放顶煤一次采全高全部陷落法，开采强度较大，工作面支架选用97组ZFS7200/20/40型正四连杆低位放顶煤液压支架，在工作面轨顺、运顺端头各配置3组排头放顶煤支架，其型号为ZTF9000/22/38。7306工作面于2013年2月中旬开始停采，为工作面设备的撤出造条件。截至2月27号，距离停采线还有5.9m的距离，轨顺距离5317采空区83.4m，运顺距离5318采空区68.2m，如图1所示：

3 工作面端面片帮冒顶的影响因素

自2月初开始，7306综放工作面开始频繁出现片帮冒顶，给工作面的停采撤面和设备的撤出条件带来了很大的麻烦，现针对7306综放工作面停采期间的煤壁片帮和冒顶的影响因素进行分析。

3.1 煤层的物理性质

根据地质勘探资料，7306综放工作面开始的3煤为普氏系数f在2.3左右，为软～中等硬度煤层。随着煤层硬度的降低，不仅会引起煤体不连续面上粘聚力C和内摩擦系数tanf，还会增加不连续面的个数，产生节理裂隙的发育，进而产生片帮冒顶。从现场片帮和冒顶地方来看，基本都发生在煤层裂隙发育较多的地方。

3.2 地质构造因素影响

7306综放工作面倾斜长臂布置，但为了停采后设备的顺利撤出，必须要保证工作面的平直，故末采期间采用平推。因此，工作面煤壁底部切割底板岩层，值得注意的是，在工作面1#支架至56#支架的范围内，工作面有一背斜构造，1#支架端前割底板岩层1.5m左右，30#～45#架之间全部割岩层，至56#架时割底板岩层0.5m，57#架子至机尾基本割底板均为0.4m左右。为了研究这一背斜构造对工作面停采期间的应力分布影响，采用数值模拟的手段进行分析，模拟参数见表2、图2、图3。

从数值模拟结果来看，该工作面背斜构造对垂直应力分布影响并不是很大，而对水平应力的分布有很大影响，特别是在岩层和煤层变化幅度大的地方尤为明显。背斜导致水平应力在两种不同介质变化的区域内分布不均，存在应力梯度，这就加重了裂隙的发育程度，从而引起煤壁的片帮和顶板的冒落。

3.3 外部应力环境

从7306工作面停采期间位置关系图（图4），我们可以看出，7306工作面停采期间可以看做一“孤岛”煤柱。这就为工作面的片帮冒顶提供了一个大的高应力环境，致使工作面停采期间片帮冒顶频发。

3.4 支架支护情况的影响

停采期间7306工作面由于大面积片帮顶煤，引起采空区后方大面积的冒顶，致使支架很难达到支架的保压值，每天统计一次工作面1#至103#支架的末阻力，由于篇幅原因，截取两次记录数据进行分析，如图4、图5所示。

通过对支架压力分布曲线中，总结出以下规律：（1）机头、机尾附近支架末阻力较大，说明在机头、机尾处的围岩应力不论是垂直应力还是水平应力应力集中程度较高。且机头附近支架压力变化幅度较机尾小，说明在机头附近的围岩应力的集中程度要高于机尾附近。这是由于在机尾一侧是7305采空区，受采空区影响导致应力集中，直接反映为支架末阻力增加；（2）工作面支架后立柱每隔一定的间距，连续10个左右支架前后支柱压力均不保压，说明工作面顶板上出现大面积空顶现象，特别是在背斜构造区域内反映得尤为明显；（3）煤壁在支架末阻力较小区域内，片帮尤为严重，这是由于支架不能起到“支”的效果，上覆岩层的应力主要有煤壁承担，当超过煤层的极限时，发生片帮冒顶现象。

在硬度较低的煤层开采，要充分考虑支架前倾角度对煤壁片帮的影响。在支架水平工作阻力较大的情况下，若是垂直工作阻力较小，在上覆岩层的压力作用下，容易引起煤壁片帮，进而引起端面冒顶。同样，如果只考虑垂直作用力，不考虑水平作用力，则易发生端面冒顶事故。从失稳过程来分析，软煤煤壁稳定性较差，承载能力低，受力易发生塑性流动，变相增加了端面距，加上顶煤稳定性较差，支护无法阻止无支护空间内顶煤的塑性流变。对于软煤层，要提高支护效果，关键是提高煤壁的稳定性，并缩小端面距。

3.5 回采因素的影响

7306停采期间，由于调面的要求，致使工作面很难保证匀速回采，并且空顶时间较长。另外，停采后要求工作面为撤出支架提供一定的空间，导致空顶面积较大，也是煤壁片帮冒顶的一个重要原因。

3.6 影响因素的综合性分析

7306工作面停采期间顶板难于维护，频繁出现煤壁大范围片帮冒顶，是煤岩的物理性质、上覆岩层活动规律及围岩应力分布、支架支护参数、地质构造、回采影响等因素的综合体现。就兴隆庄煤矿7306综放工作面来分析，片帮冒顶频发的原因在于：煤质较软是内因，工作面受三个方向的采空区影响为片帮冒顶的发生提供了外部应力条件，长时间大面积空顶为片帮和冒顶提供了发育时间及空间，背斜构造加重了片帮冒顶发生的几率和程度，支架未能提供足够高的初撑力从而引起煤壁片帮冒顶的发生。

4 端面片帮冒顶的防治措施

针对7306综放工作面停采期间片帮冒顶现象的频发，在研究分析了影响因素的基础上，提出了与之相对应的综合治理措施。

4.1 煤壁注浆

针对工作面开采煤层较软及裂隙的发育，在工作面煤壁一侧注浆（固邦特），用以增大不连续面上的黏聚力内聚力系数，从根本上增强煤层自身的强度，减少片帮的发生几率。

4.2 顶板架棚上网，打锚杆锚索联合支护

停采期间对工作面顶板进行全面上网，在有冒顶的地方挑棚进行支护，在空顶的端面全部打锚杆锚索加钢带联合支护，在煤壁一侧采用单体支柱支护。从现场应用效果来看，基本控制住了煤壁片帮和冒顶的进一步恶化。

4.3 围岩卸压

针对工作面受采空区的导致应力集中的情况，对两顺槽进行打泄压孔卸压，释放煤体及上覆岩层的压力，一定程度上缓解了片帮冒顶的发生。

4.4 支架管理

在停采调面期间，严格要求支架规范操作，不仅要保证升架时间，达到规定的初撑力，还要保证支架有合适的仰俯角，使得支架提供的水平工作阻力和垂直工作阻力合理搭配，并尽量缩小端面距。

5 结语

综放工作面煤壁片帮冒顶的发生，往往是由于多种因素共同作用的结果，应全面分析其影响因素，揭示出其发生机理和演化规律。在此基础上，针对各个影响因素提出综合治理措施，这样才能在最大程度上减少片帮和冒顶的发生。