李鐵良

(潞安集團(tuán)安全儀器測試中心，山西 長治 046204)

引 言

我國已探明的煤炭儲(chǔ)量中，厚及特厚煤層的儲(chǔ)量占比及產(chǎn)量占比均達(dá)到40%以上，對(duì)于保障我國的工業(yè)生產(chǎn)及能源供給至關(guān)重要。厚及特厚煤層的傳統(tǒng)開采方法為分層開采，隨著裝備及技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)入新世紀(jì)以來，我國煤礦工作者又逐漸提出了大采高綜采及綜放的概念，并不斷進(jìn)行工程實(shí)踐運(yùn)用，使其在我國各大礦區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，為煤礦工業(yè)的高產(chǎn)高效做出了突出貢獻(xiàn)。然而，隨著采高的增加，采場端面煤巖體的控制難度也隨之增大，支架-圍巖關(guān)系惡化，易出現(xiàn)端面煤巖體冒頂片幫，對(duì)安全生產(chǎn)造成重大威脅[1]。本文針對(duì)典型大采高綜采工作面的端面煤巖體控制問題展開研究，分析其端面煤巖塊體的冒落機(jī)理，并制定控制措施。

1 工程概況

2502大采高綜采工作面開采2#煤層，煤層賦存穩(wěn)定，厚度3.9 m～4.6 m，平均4.4 m，傾角2°～17°，平均8°。煤層直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚2 m～6 m。老頂為中砂巖，厚3 m～10 m。底板為砂質(zhì)泥巖，厚3 m。工作面采用ZY7600-26/55型掩護(hù)式液壓支架，采高4.4 m，工作面最大控頂距5 375 mm，最小控頂距4 575 mm，每刀煤進(jìn)尺800 mm。工作面采用走向長壁后退式采煤法，采用全部垮落法管理頂板。影響生產(chǎn)的主要構(gòu)造為斷層和陷落柱，同時(shí)工作面直接頂為泥巖及砂質(zhì)泥巖，須加強(qiáng)頂板管理。

2 端面煤巖塊體冒落機(jī)理分析

大采高綜采工作面同普通工作面相比，其最大的不同之處在于由于采高的增加，煤體采出后形成的采空區(qū)空間也大幅度增加，因而需要更大厚度的直接頂冒落來充填采空區(qū)，故原本能在一定程度上發(fā)生彎曲下沉、斷裂擠壓后形成平衡砌體梁結(jié)構(gòu)的老頂亞關(guān)鍵層，由于無法觸矸而發(fā)生較大程度的下沉并失穩(wěn)，直至作為直接頂板垮落到采空區(qū)內(nèi)。總的來說，大采高綜采工作面最宏觀的覆巖變化特征是垮落帶高度增大，裂縫帶高度繼續(xù)向上發(fā)展，直至在更高的關(guān)鍵層形成平衡結(jié)構(gòu)，同時(shí)其下位巖層的垮冒性增強(qiáng)，不利于端面煤巖體的有效控制。

煤層頂板有大量原生裂隙存在，隨著工作面的推進(jìn)，超前支承壓力逐漸前移，對(duì)工作面前方的煤巖體形成應(yīng)力擾動(dòng)，使原生裂隙燈結(jié)構(gòu)弱面不斷發(fā)育，并形成了大量的次生裂隙。K1屬于原生裂隙，受應(yīng)力擾動(dòng)裂隙增大易導(dǎo)致離層；K2、KK2和K2KK2三種裂隙類型屬于次生裂隙類型，產(chǎn)生原因包括支承壓力、頂板運(yùn)動(dòng)和液壓支架支撐擾動(dòng)等，在產(chǎn)生次生裂隙后端面煤巖塊體易沿著次生裂隙繼續(xù)發(fā)展直至破壞[2-3]。端面煤巖體裂隙組合示意圖，如圖1所示。

圖1 端面煤巖體裂隙組合示意圖

當(dāng)采煤機(jī)割煤過后，位于煤壁的煤體及煤壁上方的巖體有了臨空面，尤其是煤壁與頂板(端面)交角區(qū)域，其受力狀態(tài)瞬間變化，使得端面煤巖塊體承受較大建立，并沿裂隙面發(fā)生剪切破壞，與內(nèi)部煤巖體逐漸脫離，此時(shí)，由于端面距的存在或支架支護(hù)不及時(shí)，脫離掉的煤巖塊失去支撐，即發(fā)生端面片幫冒頂，此為端面煤巖塊體冒落的基本機(jī)理，如圖2所示。

圖2 端面煤巖塊體冒落示意圖

3 端面煤巖體控制措施

3.1 端面關(guān)鍵塊體平衡控制措施

端面煤巖體力學(xué)性質(zhì)包括裂隙類型、裂隙角度、裂隙面上摩擦系數(shù)和黏結(jié)力，端面關(guān)鍵塊體鉛垂方向載荷W包括端面其自重和上覆巖層附加載荷。液壓支架指向煤壁方向的水平支護(hù)力T能有效地增強(qiáng)塊體抗滑能力，進(jìn)而防止關(guān)鍵塊體滑落破壞的發(fā)生[4-5]。根據(jù)關(guān)鍵塊體的受力平衡分析，可制定其控制措施，如圖3所示。

圖3 端面關(guān)鍵塊體平衡控制措施

3.2 現(xiàn)場采取措施及應(yīng)用效果分析

1) 確保支護(hù)強(qiáng)度。確保液壓支架支護(hù)強(qiáng)度達(dá)標(biāo)是基本條件，必須首先保證其初撐力不低于規(guī)程規(guī)定值；其次必須降低支架操作對(duì)頂板的擾動(dòng)程度，采取帶壓移架措施，避免反復(fù)升降支架，防止誆頂；三是規(guī)范支架操作，確保支架接頂嚴(yán)實(shí)，初撐力一次升至合格，并正確使用前探梁及護(hù)幫板，加強(qiáng)端面煤巖體的支架防護(hù)。

2) 確保支架合理位態(tài)。首先確保支架梁端距合格(一般不超過0.3 m)，及時(shí)移架伸出護(hù)幫板，防止因工藝、管理及操作原因?qū)е碌牧憾司喑瑯?biāo)；其次確保采高一致，頂梁平直，防止出現(xiàn)頂梁臺(tái)階，確保頂板的同步變化，防止局部漏冒頂；三是控制好頂梁俯仰角，使支架能向端面煤巖體提供足夠的水平支護(hù)力；四是出現(xiàn)端面冒頂片幫時(shí)應(yīng)及時(shí)接頂、護(hù)幫處理，防止因不處理或處理不及時(shí)不到位導(dǎo)致事故惡化。

3) 確保支架正常工況。液壓支架的穩(wěn)定工作是保障支架—圍巖狀態(tài)的關(guān)鍵一環(huán)，若支架出現(xiàn)千斤頂漏液、密封件失效、液壓元件內(nèi)外泄露以及出現(xiàn)其他構(gòu)件損壞，依靠支架控制斷面煤巖體則難以很好實(shí)現(xiàn)，因此，日常工作中應(yīng)加強(qiáng)管理，每天按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)全部液壓支架進(jìn)行維護(hù)，處理故障，確保液壓支架可靠使用。

4) 2502大采高綜采工作面始終將端面煤巖體控制作為工作面工程質(zhì)量管理的最重要一環(huán)來抓，在日常管理中異常強(qiáng)調(diào)支護(hù)強(qiáng)度的達(dá)標(biāo)、支架幾何位態(tài)的管理及液壓支架的日常維護(hù)，整個(gè)工作面推采過程中僅發(fā)生局部輕度片幫冒頂事故，且均在1個(gè)生產(chǎn)班內(nèi)處理完畢，未發(fā)生大范圍嚴(yán)重冒頂片幫事故，保障了工作面的安全順利生產(chǎn)。

4 結(jié)語

大采高綜采工作面端面煤巖體因受多重應(yīng)力擾動(dòng)，裂隙高度發(fā)育，且位于工作面回采后的塑性區(qū)內(nèi)，易因較大剪應(yīng)力而發(fā)生端面煤巖體片幫冒頂事故，是大采高綜采工作面的管理重點(diǎn)和難點(diǎn)?，F(xiàn)場管理中應(yīng)著重加強(qiáng)液壓支架支護(hù)強(qiáng)度、規(guī)范液壓支架操作、控制液壓支架幾何位態(tài)、加強(qiáng)液壓支架日常檢修維護(hù)，確保液壓支架的良好工況，從而保證支架—圍巖系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制，保障工作面的安全順利生產(chǎn)。