韓 勤

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

伯方煤礦采用綜采放頂煤全部垮落法采煤工藝，現(xiàn)采3#煤層，煤層平均厚度5.5m，割煤高度2.8m，放煤高度2.7m，采放比1:0.96，采用一面兩巷U型布置方式，支護采用錨網(wǎng)索支護，煤層普氏系數(shù)1～1.5。從歷年實際生產(chǎn)情況來看，礦井煤層松軟，裂隙發(fā)育，片幫、冒頂時有發(fā)生，造成工作面推進慢，安全系數(shù)差，尤其孤島工作面生產(chǎn)更為嚴(yán)重，直接影響工作面安全、高效生產(chǎn)。對此，探究綜放工作面漏頂現(xiàn)象及片幫現(xiàn)象力學(xué)機理，并研究一系列行之有效的措施來防治這些現(xiàn)象也顯得越來越重要。

1 漏頂現(xiàn)象力學(xué)分析

1.1 開采煤層狀態(tài)分區(qū)

采用放頂煤開采方式進行采煤作業(yè)時，會改變煤體的初始穩(wěn)定平衡應(yīng)力狀態(tài)，使放頂煤工作面各處煤體具有不同的應(yīng)力狀態(tài)與物性狀態(tài)。通常情況下，由回采工作面起，煤體從近到遠所處的狀態(tài)區(qū)域依次為松動區(qū)、破碎區(qū)、破裂區(qū)、塑性區(qū)以及彈性區(qū)，如圖1所示。一般隨煤層所在應(yīng)力場的不同與其物理力學(xué)性質(zhì)的不同，這也會使煤壁及端面頂煤具備不同的物性狀態(tài)。通常經(jīng)綜放回采工藝開采后的工作面四周煤壁和端面頂煤大多會處于松動、破碎甚至破裂狀態(tài)[1]。

圖1 煤層物理狀態(tài)分析

1.2 工作面漏頂?shù)牧W(xué)機理

通過上述分析可知，采用放頂煤工藝進行采煤作業(yè)時，會嚴(yán)重破壞工作面四周的煤壁與端面頂煤，嚴(yán)重削弱工作面煤巖體自身承載力。在實際生產(chǎn)中，在回采工作面位置特殊性的影響下及生產(chǎn)工藝條件局限性的影響下，時常很難借助支護措施來給煤壁及相關(guān)端面頂煤進一步施加有效圍壓，無法讓煤層處于三向受壓狀態(tài)。在回采作業(yè)及放頂擾動的影響下，便極易出現(xiàn)端面頂煤冒落及工作面煤壁片幫現(xiàn)象，對于端面頂煤的漏冒主要包括兩種情況，具體為：端面的關(guān)鍵塊體出現(xiàn)失穩(wěn)發(fā)生垮落現(xiàn)象與破碎成松散狀態(tài)的煤體出現(xiàn)直接冒落現(xiàn)象。

如果在放頂煤作業(yè)中，工作面處的端面頂煤大多破裂為較大塊體，頂煤所具有的力學(xué)特征就會與塊體力學(xué)原理相符，若此時有部分關(guān)鍵塊體出現(xiàn)在端面頂煤塊體中，頂煤就易出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，其中這些關(guān)鍵塊體的形狀情況，大小情況會對端面頂煤的冒落高度及實際冒落范圍大小產(chǎn)生直接影響，具體可如下圖2所示。而對于端面頂煤而言，其關(guān)鍵塊體是否能出現(xiàn)主要受頂煤中水平擠壓力、煤層內(nèi)摩擦角等因素的影響。端面頂煤為破碎狀態(tài)時，其力學(xué)特征會與散體介質(zhì)相似，當(dāng)受到足夠水平擠壓力的擠壓后，因受重力作用的影響端面下部的煤體便會出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，時常會產(chǎn)生如下圖3所示的平衡拱結(jié)構(gòu)。參照散體介質(zhì)的相關(guān)力學(xué)原理我們可知，煤體的性質(zhì)及端面空頂距的大小等都會對冒落拱的高度產(chǎn)生重要影響[2]。

圖2 端面關(guān)鍵塊體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)冒落圖

圖3 端面散體狀冒落圖

2 煤壁片幫力學(xué)機制

因放頂煤工作面四周煤壁與端面頂煤在實際生產(chǎn)作業(yè)中，都處于一種強度破壞狀，很多煤體自身承載能力會顯著下降，甚至部分煤體已根本沒有承載能力，加之在所處特殊位置的影響下及受相關(guān)生產(chǎn)工藝條件的影響，給工作面煤壁及相關(guān)端面頂煤施加有效的圍壓較難，很難讓其為三向受壓狀，這樣因受采動影響及放頂煤作業(yè)擾動影響，工作面煤壁時常會出現(xiàn)各種各樣的片幫垮落現(xiàn)象，常見的形式主要有壓剪式片幫、劈裂式片幫、滑落式片幫或者橫拱式片幫等。下面就詳細分析一下這些片幫形式的具體力學(xué)機理。

2.1 壓剪式片幫力學(xué)機理

當(dāng)工作面煤壁處的煤體，因受放頂煤采動影響出現(xiàn)小程度破碎時，這些煤體仍會有些殘余強度，勉強可以維持原狀，而當(dāng)有較大支承壓力作用于這部分煤體時，這些煤體可能會出現(xiàn)剪切滑移式片幫，具體如下圖4所示。若用β代表煤壁與剪切滑移面間角度，用φ代表回采煤體內(nèi)摩擦角。依據(jù)庫侖—摩爾強度理論，可用下式來計算煤壁與剪切滑移面間角度關(guān)系[3]。

若用M來代表采高，△α表示最大片幫深度，則：

圖4 煤壁發(fā)生壓剪、滑落式片幫示意圖

2.2 重力滑落式片幫力學(xué)機制

若因受采動影響，位于煤壁處的煤體出現(xiàn)嚴(yán)重破碎現(xiàn)象，這些煤體便會幾乎失去殘余強度，這時在煤壁自身重力的影響下，其時常會出現(xiàn)滑落式片幫現(xiàn)象，通常最終會變成像圖4中所示的散體介質(zhì)自然安息狀態(tài)存在。借助散體介質(zhì)理論進行深入分析，我們可得出：滑落安息角a通常會等同于煤體內(nèi)摩擦角φ，至于煤壁的最大片幫深度，可應(yīng)用下式來進行計算：

2.3 劈裂式片幫力學(xué)機制

有部分煤體未完全遭破壞，但裂隙發(fā)育程度較高，且在結(jié)構(gòu)上垂直于層理，這部分煤體時常會因被揭露，使其橫向約束作用丟失，發(fā)展成一種平面雙向應(yīng)力態(tài)，當(dāng)有支承壓力作用于煤壁時，通常就會發(fā)生劈裂式片幫垮落現(xiàn)象，此現(xiàn)象具體如下圖5所示。在此現(xiàn)象中，有很多因素都會影響煤壁實際片幫深度。這些因素主要包括：煤體強度因素、采高因素、裂隙分布因素以及支承壓力因素等，煤壁之所以會發(fā)生劈裂片幫通常都是這些因素綜合作用的結(jié)果[4]。

圖5 煤壁劈裂式片幫示意圖

2.4 橫拱形片幫力學(xué)機理

依據(jù)工程巖體受圍壓擾動而發(fā)生破壞的原理可知，當(dāng)回采煤體遭揭露后，通常會出現(xiàn)向外突然鼓出的形變現(xiàn)象，對于這種現(xiàn)象究其原因通常是因橫向膨脹力作用于煤體的結(jié)果。以普氏冒落拱理論為基礎(chǔ)，可知若放頂煤煤體已處于全部破碎狀，但所破碎的塊體較大時，在垂直層理的影響下，煤壁也時常會出現(xiàn)橫拱形片幫垮落，下圖6為該種垮落形式的片幫示意圖，若用M表示采高，f表示普氏系數(shù)，那么可按下式來計算最大片幫深度：

圖6 橫拱形片幫示意圖

3 防治綜放工作面漏頂、片幫的措施

3.1 力學(xué)方面的措施

經(jīng)上述分析，可知綜放工作面出現(xiàn)端面頂煤漏冒及發(fā)生煤壁片幫現(xiàn)象，其主要原因通常是因煤體出現(xiàn)了非連續(xù)性物性狀態(tài)與處于了無圍壓應(yīng)力狀態(tài)。而采用放頂煤生產(chǎn)工藝進行采煤作業(yè)時，煤體的非連續(xù)性物性狀態(tài)在所難免。因此，在實際生產(chǎn)中，只能對煤壁及端面頂煤的實際受力狀況進行科學(xué)、合理的改善，才能減少甚至避免端面頂煤冒漏現(xiàn)象及煤壁片幫現(xiàn)象，在日常生產(chǎn)作業(yè)中，可從降低煤壁實際支撐壓力，讓無圍壓煤體范圍縮小，強化端面頂煤水平擠壓等多方面入手，來防治綜放工作面發(fā)生漏頂、片幫現(xiàn)象[5]。

3.2 操作技術(shù)方面的措施

通過深入研究防治綜放工作面端面頂煤漏冒現(xiàn)象及煤壁片幫現(xiàn)象的力學(xué)途徑，可采用下述兩種措施來進一步防治端面頂煤發(fā)生漏冒現(xiàn)象及煤壁片幫現(xiàn)象。

（1）一方面應(yīng)科學(xué)、合理地布設(shè)工作面支架，讓其護幫作用、護頂能力及支撐潛力得到充分發(fā)揮；

（2）另一方面應(yīng)做好工作面開采方案的設(shè)計工作，最好不要把工作面設(shè)計為仰斜開采，并應(yīng)對回采煤體自由面與重力間的彼此空間關(guān)系進行科學(xué)、合理改善，以確保支架施加給頂煤的水平作用力足夠大。

具體可采取下列技術(shù)措施來更好的防治綜放工作面發(fā)生漏頂、片幫現(xiàn)象：

（1）可借助及時移架來讓端面頂煤的實際空頂距變小，同時縮小冒頂高度。

（2）最大限度的縮小空頂距，讓煤壁與支架科學(xué)布設(shè)，構(gòu)成一有效的力學(xué)支撐體系。

（3）讓支架的前探梁及具有的護幫板起動應(yīng)有的作用，需用到時應(yīng)能及時伸出，來有效防止頂煤發(fā)生冒空現(xiàn)象，且應(yīng)使頂煤具有足夠的水平作用力。

（4）通過進一步加大工作面支架的實際初撐力與工作阻力來使它們應(yīng)有的支撐能力得到充分發(fā)揮，以降低煤壁內(nèi)部的支承壓力，以降低煤壁片幫垮落的可能性。

（5）借助帶壓移架，并努力提升支架推移能力，以確保頂板可長期受到足夠的水平作用力與垂直作用力，并盡量減少多次對頂煤進行加、卸載。

（6）加強工作面頂板周期來壓預(yù)測預(yù)報，提前采取補強措施。

（7）針對冒頂區(qū)域較小可采用在支架前穿插木梁、鋼管等方式控制架前冒頂；對于大面積冒頂，可采用頂板超前化學(xué)注漿技術(shù)提高圍巖承載能力，效果顯著，但材料成本費相對較高，投入較大。

（8）同時要加強工作面交接班質(zhì)量驗收管理，冒頂區(qū)域當(dāng)班必須處理，不能遺留至下一班，形成惡性循環(huán)。

（9）保證工作面正規(guī)循環(huán)作業(yè)，減少停產(chǎn)時間，避免煤體長時間受壓，造成冒頂范圍擴大。

4 結(jié)語

在綜采放頂煤作業(yè)中，漏頂現(xiàn)象及片幫現(xiàn)象是影響工作面安全、高效生產(chǎn)的重要因素，而要想更好的防治綜放工作面的端面漏頂及煤壁片幫現(xiàn)象，必須深入了解工作面漏頂及片幫現(xiàn)象力學(xué)機理，并采取相應(yīng)的措施進行應(yīng)對。這樣才能做好綜放工作面的漏頂、片幫現(xiàn)象的防治工作，才能更好地保障綜放工作面的高產(chǎn)、高效。