破碎厚煤层工作面端面顶板漏冒机理与防治

2014-04-18王恩鹏崔永丰

采矿与岩层控制工程学报 2014年2期

朱涛，宋敏，王恩鹏，崔永丰

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;2.山东水利职业学院，山东日照276826)

我国煤炭储量丰富，其中厚煤层的储量约占我国煤炭总储量的44%［1］。近二十年来，随着厚煤层工作面采煤机、液压支架和刮板输送机等主要设备的成功研制，其在很大程度上加快了大采高综采技术的发展。但是，许多专家、学者和现场技术人员通过大量的理论研究和多年的现场观测发现:如果大采高工作面受到节理、裂隙等较为发育的破碎煤层影响时，顶板漏冒的概率加大、工作面支架－围岩系统的稳定性降低，直接导致煤矿的安全生产状况降低［2］。研究破碎厚煤层工作面端面顶板漏冒机理与防治，对该类工作面实现高产高效具有重要的意义。

1 3307工作面概况

山西晋煤集团赵庄煤业有限公司位于山西沁水煤田的东南部，井田南北长约16.65km，东西宽约14.8km，面积144.13km2。该矿目前主采3号煤层，其中3307工作面走向长度1757.86m，工作面长度219.75m，煤层厚度为3.4～6.3m，平均厚度为5.6m，煤层倾角1～15°，平均倾角为8°，工业储量2.91Mt，可采储量2.6Mt。3号煤层及其直接顶岩层物理力学参数见表1。

表1 3号煤层及直接顶岩层物理力学参数

从表1中可以看出3号煤层及其直接顶岩层的岩石试样强度较低，且松散性较大。

现场施工3号煤层回采巷道和在3307工作面推进的过程中，由于3号煤层巷道围岩强度低，节理、裂隙发育，且受到断层、破碎带、陷落柱等地质构造的影响，围岩极其破碎，稳定性很差，工作面顶板漏冒、煤壁片帮情况严重，如图1所示。

2 工作面端面顶板结构模型的建立

在工作面采场－围岩的关系中，端面顶板的漏冒控制是一项非常重要的内容，尤其是破碎厚煤层工作面端面顶板漏冒控制的重要性要远远大于综放工作面或普采高端面顶板。通过对晋煤集团赵庄煤业公司3307工作面端面顶板漏冒现象的观测，构建了破碎厚煤层工作面端面顶板的“块体”结构模型，如图2所示。

图1 3307工作面顶板漏冒情况

在该模型中，C类块体位于图2所示“块体”结构模型的最下部，完全出露;B类块体位于该结构模型的偏中下部，则是大部分出露;A类块体位于该结构模型的上部，完全或只有少部分出露。

图2 破碎厚煤层工作面端面顶板结构模型

破碎厚煤层工作面端面顶板漏冒实际上是“块体”结构顶板的失稳破坏，其失稳破坏有2种形式:一种是在各种载荷作用下“块体”的脱落失稳破坏;另一种是“块体”沿着结构裂隙面所发生的剪切滑移失稳破坏。这两种破坏形式均可以运用块体理论对端面顶板的漏冒进行详细的分析［3－4］。

3 工作面端面顶板结构的漏冒机理

“块体”结构顶板的失稳破坏首先产生在C类块体上，C类块体可以认为是有限可动块体，当C类块体丧失承载能力产生失稳后，其所承受的载荷就会转移至B类块体上，此时B类块体在载荷的作用下也丧失了承载能力，继而产生失稳破坏［5－6］。由于此类效应的连锁反应，A类块体最终也产生了失稳破坏，发生工作面端面顶板的连续漏冒。

根据上述分析，构建了A，B类块体的力学分析图，如图3所示。

图3 A，B类块体力学分析

根据图3所示的模型，A类块体位于图2所示“块体”结构模型的上部，则有y≤L/2。B类块体位于该结构模型的偏中下部，则有y＞L/2。为了计算方便起见，假设A，B类块体与C类块体之间的凝聚力C为0［4］，则A，B类块体任意横截面上所受到的剪应力Q(y)为:

式中，qy为A，B类块体所受到的竖向载荷;a为A、B类块体的边长;y为从坐标原点O到任意横截面的距离;L为A，B类块体沿y轴线的长度;θ为A，B类块体两边的夹角。

A，B类块体在任意截面上的弯矩M(y)为:

A，B类块体任意截面上的最大拉应力σ(y)max为:

式中，Jz为A，B类块体任意截面的惯性距;对于图3所示的截面为A，B类块体的厚度。

当A，B类块体任意截面上的最大拉应力σ(y)max大于或等于其抗拉强度σt时，则A，B类岩块就会产生破断。

由式(3)可知，A类块体破断的因素主要与块体的抗拉强度σt、块体上方的载荷qy、挟持端外的长度y、以及块体的厚度H有关，而与块体的边长a和块体两边的夹角θ无关。而B类岩块破断的影响因素不仅与A类块体破断的因素相同，其同时还与块体的边长a和块体两边的夹角θ有关。这样就可以根据不同块体的出露端长度、厚度和块体的抗拉强度等已知条件计算出A，B类块体产生破断时所需的竖向载荷qy。

由(4)式可知:A类块体和B类块体相比，在产生破断时，B类块体所需的竖向载荷小。因此，如果在相同载荷qy的作用下，B类块体在端面产生破断的可能性则较大。当B类块体破断成C类块体后，原来由B类块体所承受的载荷会转移到A类块体上，A类块体在新的载荷作用下产生破断。相同的破断过程引起连锁反应，即“块体”不断产生脱落失稳破坏或滑移失稳破坏，从而造成工作面端面顶板的冒落。

4 防治工作面端面顶板漏冒的措施

就晋煤集团赵庄煤业公司3307工作面开采而言，由于该工作面内断层、节理、裂隙、褶曲、陷落柱等地质构造极其发育，加上煤质本身破碎、采高大，工作面煤壁片帮严重，很容易形成大范围的空顶，进而造成工作面端面顶板的漏冒。因此，如何对3307破碎厚煤层工作面端面顶板采取有效措施，防止端面顶板发生漏冒事故是实现该工作面安全高效开采的一项重要内容。

通过对破碎厚煤层工作面端面顶板结构的漏冒机理分析，防治3307工作面端面漏冒的关键是防治C类块体丧失承载能力而产生的失稳，主要措施是:

加强液压支架初撑力的管理破碎煤层大采高综采液压支架受到的载荷主要是静载荷，这部分载荷来自于直接顶的自重，即A，B和C类块体的自重。C类块体不丧失承载能力，则必须应用液压支架的初撑力予以承担直接顶的自重。所以加强对液压支架密封胶圈和供液管路的管理，保证液压泵站能够提供足够的初撑力［7－8］。安设液压支架初撑力保持阀，使液压支架实际初撑力达到设计的初撑力。同时要做到液压支架不窜液、不漏液、不自动卸载。

液压支架采用二级护帮板护帮根据块体理论，图2中端面顶板C类块体是有限且可动的［4］。要使C类块体处于平衡状态，滑动面上的切向下滑力一定要小于摩阻力。通过对3307工作面端面顶板漏冒的形式分析，重力滑落式漏冒最为常见。如果ZY12000/28/62D型液压支架护帮板给工作面上部煤壁一个垂直于煤壁的力N，则会在很大程度上阻止端面顶板的冒漏。可见，在破碎厚煤层综采的条件下，最大可能地提高支架护帮板的使用率。

及时支护如果工作面端面顶板应力集中严重，C类块体在上部A、B类块体自重和应力集中作用下极易产生漏冒，所以液压支架要及时支护，最大可能地减小工作面端面顶板的应力集中。同时必须坚持超前拉架并打出护帮板，移架要尽量做到快拉、少降、快升，以保证及时支护顶板。

改进工作面设备操作技术在3307工作面，要采用先拉架后推刮板机的方法，使液压支架顶梁顶住工作面煤壁，禁止工作面留顶煤，支架必须接顶。当3307工作面出现大采高液压支架歪倒、咬架等现象时，要及时对液压支架进行调整。

提高围岩强度由于3307工作面地质条件极其复杂，特别是当工作面通过断层、破碎带和顶板来压时要及时对煤壁和顶板进行加固［5］，通过提高“液压支架－工作面煤壁－直接顶”的整体强度来使A，B和C类块体不会滑动而处于稳定状态。当顶板比较破碎时，可以采用玛丽散加固方法或其他固化方法对顶板固化。