综放工作面漏顶、片帮机理分析及防治措施研究

韩 勤

（山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿分公司，山西 高平 048400）

伯方煤矿采用综采放顶煤全部垮落法采煤工艺，现采3#煤层，煤层平均厚度5.5m，割煤高度2.8m，放煤高度2.7m，采放比1:0.96，采用一面两巷U型布置方式，支护采用锚网索支护，煤层普氏系数1～1.5。从历年实际生产情况来看，矿井煤层松软，裂隙发育，片帮、冒顶时有发生，造成工作面推进慢，安全系数差，尤其孤岛工作面生产更为严重，直接影响工作面安全、高效生产。对此，探究综放工作面漏顶现象及片帮现象力学机理，并研究一系列行之有效的措施来防治这些现象也显得越来越重要。

1 漏顶现象力学分析

1.1 开采煤层状态分区

采用放顶煤开采方式进行采煤作业时，会改变煤体的初始稳定平衡应力状态，使放顶煤工作面各处煤体具有不同的应力状态与物性状态。通常情况下，由回采工作面起，煤体从近到远所处的状态区域依次为松动区、破碎区、破裂区、塑性区以及弹性区，如图1所示。一般随煤层所在应力场的不同与其物理力学性质的不同，这也会使煤壁及端面顶煤具备不同的物性状态。通常经综放回采工艺开采后的工作面四周煤壁和端面顶煤大多会处于松动、破碎甚至破裂状态[1]。

图1 煤层物理状态分析

1.2 工作面漏顶的力学机理

通过上述分析可知，采用放顶煤工艺进行采煤作业时，会严重破坏工作面四周的煤壁与端面顶煤，严重削弱工作面煤岩体自身承载力。在实际生产中，在回采工作面位置特殊性的影响下及生产工艺条件局限性的影响下，时常很难借助支护措施来给煤壁及相关端面顶煤进一步施加有效围压，无法让煤层处于三向受压状态。在回采作业及放顶扰动的影响下，便极易出现端面顶煤冒落及工作面煤壁片帮现象，对于端面顶煤的漏冒主要包括两种情况，具体为：端面的关键块体出现失稳发生垮落现象与破碎成松散状态的煤体出现直接冒落现象。

如果在放顶煤作业中，工作面处的端面顶煤大多破裂为较大块体，顶煤所具有的力学特征就会与块体力学原理相符，若此时有部分关键块体出现在端面顶煤块体中，顶煤就易出现冒落现象，其中这些关键块体的形状情况，大小情况会对端面顶煤的冒落高度及实际冒落范围大小产生直接影响，具体可如下图2所示。而对于端面顶煤而言，其关键块体是否能出现主要受顶煤中水平挤压力、煤层内摩擦角等因素的影响。端面顶煤为破碎状态时，其力学特征会与散体介质相似，当受到足够水平挤压力的挤压后，因受重力作用的影响端面下部的煤体便会出现冒落现象，时常会产生如下图3所示的平衡拱结构。参照散体介质的相关力学原理我们可知，煤体的性质及端面空顶距的大小等都会对冒落拱的高度产生重要影响[2]。

图2 端面关键块体结构失稳冒落图

图3 端面散体状冒落图

2 煤壁片帮力学机制

因放顶煤工作面四周煤壁与端面顶煤在实际生产作业中，都处于一种强度破坏状，很多煤体自身承载能力会显著下降，甚至部分煤体已根本没有承载能力，加之在所处特殊位置的影响下及受相关生产工艺条件的影响，给工作面煤壁及相关端面顶煤施加有效的围压较难，很难让其为三向受压状，这样因受采动影响及放顶煤作业扰动影响，工作面煤壁时常会出现各种各样的片帮垮落现象，常见的形式主要有压剪式片帮、劈裂式片帮、滑落式片帮或者横拱式片帮等。下面就详细分析一下这些片帮形式的具体力学机理。

2.1 压剪式片帮力学机理

当工作面煤壁处的煤体，因受放顶煤采动影响出现小程度破碎时，这些煤体仍会有些残余强度，勉强可以维持原状，而当有较大支承压力作用于这部分煤体时，这些煤体可能会出现剪切滑移式片帮，具体如下图4所示。若用β代表煤壁与剪切滑移面间角度，用φ代表回采煤体内摩擦角。依据库仑—摩尔强度理论，可用下式来计算煤壁与剪切滑移面间角度关系[3]。

若用M来代表采高，△α表示最大片帮深度，则：

图4 煤壁发生压剪、滑落式片帮示意图

2.2 重力滑落式片帮力学机制

若因受采动影响，位于煤壁处的煤体出现严重破碎现象，这些煤体便会几乎失去残余强度，这时在煤壁自身重力的影响下，其时常会出现滑落式片帮现象，通常最终会变成像图4中所示的散体介质自然安息状态存在。借助散体介质理论进行深入分析，我们可得出：滑落安息角a通常会等同于煤体内摩擦角φ，至于煤壁的最大片帮深度，可应用下式来进行计算：

2.3 劈裂式片帮力学机制

有部分煤体未完全遭破坏，但裂隙发育程度较高，且在结构上垂直于层理，这部分煤体时常会因被揭露，使其横向约束作用丢失，发展成一种平面双向应力态，当有支承压力作用于煤壁时，通常就会发生劈裂式片帮垮落现象，此现象具体如下图5所示。在此现象中，有很多因素都会影响煤壁实际片帮深度。这些因素主要包括：煤体强度因素、采高因素、裂隙分布因素以及支承压力因素等，煤壁之所以会发生劈裂片帮通常都是这些因素综合作用的结果[4]。

图5 煤壁劈裂式片帮示意图

2.4 横拱形片帮力学机理

依据工程岩体受围压扰动而发生破坏的原理可知，当回采煤体遭揭露后，通常会出现向外突然鼓出的形变现象，对于这种现象究其原因通常是因横向膨胀力作用于煤体的结果。以普氏冒落拱理论为基础，可知若放顶煤煤体已处于全部破碎状，但所破碎的块体较大时，在垂直层理的影响下，煤壁也时常会出现横拱形片帮垮落，下图6为该种垮落形式的片帮示意图，若用M表示采高，f表示普氏系数，那么可按下式来计算最大片帮深度：

图6 横拱形片帮示意图

3 防治综放工作面漏顶、片帮的措施

3.1 力学方面的措施

经上述分析，可知综放工作面出现端面顶煤漏冒及发生煤壁片帮现象，其主要原因通常是因煤体出现了非连续性物性状态与处于了无围压应力状态。而采用放顶煤生产工艺进行采煤作业时，煤体的非连续性物性状态在所难免。因此，在实际生产中，只能对煤壁及端面顶煤的实际受力状况进行科学、合理的改善，才能减少甚至避免端面顶煤冒漏现象及煤壁片帮现象，在日常生产作业中，可从降低煤壁实际支撑压力，让无围压煤体范围缩小，强化端面顶煤水平挤压等多方面入手，来防治综放工作面发生漏顶、片帮现象[5]。

3.2 操作技术方面的措施

通过深入研究防治综放工作面端面顶煤漏冒现象及煤壁片帮现象的力学途径，可采用下述两种措施来进一步防治端面顶煤发生漏冒现象及煤壁片帮现象。

（1）一方面应科学、合理地布设工作面支架，让其护帮作用、护顶能力及支撑潜力得到充分发挥；

（2）另一方面应做好工作面开采方案的设计工作，最好不要把工作面设计为仰斜开采，并应对回采煤体自由面与重力间的彼此空间关系进行科学、合理改善，以确保支架施加给顶煤的水平作用力足够大。

具体可采取下列技术措施来更好的防治综放工作面发生漏顶、片帮现象：

（1）可借助及时移架来让端面顶煤的实际空顶距变小，同时缩小冒顶高度。

（2）最大限度的缩小空顶距，让煤壁与支架科学布设，构成一有效的力学支撑体系。

（3）让支架的前探梁及具有的护帮板起动应有的作用，需用到时应能及时伸出，来有效防止顶煤发生冒空现象，且应使顶煤具有足够的水平作用力。

（4）通过进一步加大工作面支架的实际初撑力与工作阻力来使它们应有的支撑能力得到充分发挥，以降低煤壁内部的支承压力，以降低煤壁片帮垮落的可能性。

（5）借助带压移架，并努力提升支架推移能力，以确保顶板可长期受到足够的水平作用力与垂直作用力，并尽量减少多次对顶煤进行加、卸载。

（6）加强工作面顶板周期来压预测预报，提前采取补强措施。

（7）针对冒顶区域较小可采用在支架前穿插木梁、钢管等方式控制架前冒顶；对于大面积冒顶，可采用顶板超前化学注浆技术提高围岩承载能力，效果显著，但材料成本费相对较高，投入较大。

（8）同时要加强工作面交接班质量验收管理，冒顶区域当班必须处理，不能遗留至下一班，形成恶性循环。

（9）保证工作面正规循环作业，减少停产时间，避免煤体长时间受压，造成冒顶范围扩大。

4 结语

在综采放顶煤作业中，漏顶现象及片帮现象是影响工作面安全、高效生产的重要因素，而要想更好的防治综放工作面的端面漏顶及煤壁片帮现象，必须深入了解工作面漏顶及片帮现象力学机理，并采取相应的措施进行应对。这样才能做好综放工作面的漏顶、片帮现象的防治工作，才能更好地保障综放工作面的高产、高效。