大倾角孤岛开采工作面端面煤岩体控制实践

裴 晖

(山西汾西矿业集团水峪煤业，山西 孝义 032300)

引 言

煤炭资源在我国能源消费结构中的比重一直占据主导地位，距测算，至2030年，煤炭在我国一次能源消费中所占的比例仍会达到70%左右。但是，在我国一些服务年限较长的老矿区，随着优质资源的不断开采，一些浅埋煤层或近水平煤炭资源逐渐枯竭，因而不得不转而开采深部、大倾角或其他复杂地质条件的煤炭资源。同时，在开采过程中，由于地质生产条件及采煤技术所限，有时候会不可避免地出现孤岛工作面，孤岛工作面的巷道支护及端面煤岩体控制受特殊矿山压力影响，存在较大困难[1-3]。本文针对某矿大倾角孤岛开采工作面的端面煤岩体控制问题展开研究。

1 工程概况

某矿1523工作面开采2#煤层，煤层倾角达25°～40°，且其临近1521及1525工作面已回采完毕，为典型大倾角孤岛开采工作面。本工作面煤层赋存稳定，厚度平均2.7 m。煤层直接顶为泥岩及泥质粉砂岩，厚2 m～6 m，节理裂隙发育，赋存不稳定，老顶为中砂岩，厚3 m～10 m，底板为砂质泥岩，厚3 m。工作面采用走向长壁后退式采煤法，采用全部垮落法管理顶板。影响生产的主要构造为断层和陷落柱，且由于工作面倾角大，矿山压力显现剧烈，同时工作面直接顶为泥岩及泥质粉砂岩，须加强端面顶板管理。

2 端面煤岩体控制难点分析

1523工作面地质条件复杂，除大倾角孤岛开采外，工作面范围内还分布有落差在2.5 m以上的断层3条，落差在1.6 m以下的断层十余条，且由于缺乏孤岛开采经验，导致工作面推采速度较慢，且支架—围岩工况较差，端面煤岩体控制困难，且在工作面推采初期，曾发生过较严重的端面冒顶事故，冒落范围达到16 m，冒落高度最大处达到6 m，对矿井的安全高效回采造成了严重威胁，事故片帮冒顶状况如图1所示。

图1 1523工作面片帮冒顶事故

根据工作面具体地质生产条件，查阅相关文献[4-6]，分析得出1523大倾角孤岛开采工作面的端面煤岩体控制难点如下。

1) 支承应力叠加。孤岛开采工作面受相邻两侧采空区侧向支承应力及本工作面推采超前支承应力叠加影响，应力环境复杂，在整个工作面范围内应力呈现马鞍形分布，垂直应力集中系数值超过2.0，水平应力集中系数值超过1.5。受应力集中影响，支架—围岩系统所承受的压力成倍增加，当超过系统承受上限或支架—围岩工况较差时，就会导致支架—围岩事故的发生，尤其是在顶板来压期间，更是造成事故发生的频发时期。

2) 端面煤岩体松散破碎。端面煤岩体节理裂隙发育，受叠加支承应力影响，随着工作面的推进，超前支承压力逐渐前移，对工作面前方的煤岩体形成应力扰动，使原生裂隙灯结构弱面不断发育，并形成了大量的次生裂隙，产生原因包括支承压力、顶板运动和液压支架支撑扰动等，在产生次生裂隙后端面煤岩块体易沿着次生裂隙继续发展，使得端面煤岩块体承受较大剪力，并沿裂隙面发生剪切破坏，与内部煤岩体逐渐脱离，此时，由于端面距的存在或支架支护不及时，脱离掉的煤岩块失去支撑，即发生端面片帮冒顶。

3) 支架—围岩工况较差。由于工作面倾角较大，支架支护倾角较大，支架自身沿垂直方向的分力较小，而沿倾向方向的分力增大，容易导致支架接顶不实、支撑弱化、支架挤架咬架甚至倒架等，特别是当工作面发生片帮冒顶事故时，更会导致支架的支撑效果弱化，从而引起支架支护状态与冒顶片帮事故的恶性循环。同时，由于工作面所使用的液压支架服务年限较长，设备老化，故障频发，支护可靠性差，加剧了支架—围岩工况的恶化。

3 端面煤岩体控制综合方案

1) 确保液压支架的支护强度。对于普通工作面来说，支架的支护强度非常关键，而对于大倾角孤岛工作面，其重要性更是不言而喻。必须保证支架初撑力不低于标准值，同时加强支架接顶管理，防止支架接顶不实，现场避免频繁操作支架，同时使用带压擦顶移架，防止支架操作对顶板的频繁扰动，恶化支架支护效果。

2) 确保液压支架的支护状态。保障支架的合理端面距至关重要，一般不得超过0.3 m，使用好前探梁及护帮板，对割煤后暴露的顶板及煤帮及时支护，同时对于顶梁台阶、支架错距、挤架咬架、顶梁俯仰角等参数进行合理控制，确保合理的支护状态，当出现端面冒顶片帮时应及时接顶、护帮处理，防止因处理不及时导致事故恶化。

3) 确保支架故障的及时排除。液压支架故障不可避免，尤其是对于服务年限较久的老旧支架，更应该加强日常的故障排查及检修，若支架出现千斤顶漏液、密封件失效、液压元件内外泄露以及出现其他构件损坏，将对支架的工作状态造成不利影响，应及时加以排除。

4) 1523工作面在整个回采期间高度重视端面煤岩体控制及支架—围岩工况的维护，在日常管理中异常强调支护强度的达标、支架几何位态的管理及液压支架的日常维护，在后续的推采过程中仅发生局部轻度片帮冒顶事故，且均在1个生产班内处理完毕，未发生大范围严重冒顶片帮事故，保障了工作面的安全顺利生产。

4 结语

孤岛开采工作面防范冒顶片帮事故的关键在于控制良好的支架—围岩关系，支架—围岩关系控制失效，就会导致端面冒顶片帮事故的发生及恶性循环。现场管理中应着重加强液压支架的支护状态，确保支架有效接顶，同时对于支架挤架、咬架现象及时处理，防止出现倒架事故，还应加强液压支架的故障维修，防止支架因故障而导致的支护失效。同时还应重视微小事故，对于小范围的片帮、冒顶现场提高重视，及时处理，防止事故的恶化，从而避免严重事故的发生。