松软煤层综采工作面片帮冒顶防治措施研究

王彪

【摘 要】 针对松软煤层工作面煤壁片帮、冒顶严重的现象，文章以山西某矿4305工作面条件为基础，对片帮、冒顶的影响因素进行了分析，制定了工作面片帮、冒顶治理方案并进行了现场实践。分析认为片帮影响因素：煤体自身结构、工作面超前支承应力、开采工艺、开采高度等;冒顶影响因素：煤壁片帮、区域地质构造、采高等。根据方案实施后的监测结果，工作面煤壁片帮与冒顶现象明显减少，表明该方案能够对片帮、冒顶现象起到控制作用。

【关键词】 松软煤层;片帮因素;冒顶因素;防治措施

【中图分类号】 TD823.97 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）03-0023-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

随着矿井煤层采高的增大，工作面开采过程中煤壁出现片帮以及冒顶的现象。特别是松软破碎的煤层中，片帮、冒顶事故尤为严重，对矿井的正常生产产生很大影响。由于工作面煤壁出现片帮、冒顶后，会令煤壁处空顶距增大，顶板稳定性变差，导致工作面支架出现受力不均衡的情况。本文对煤壁片帮、冒顶的机理进行了研究，研究结果对矿井的安全、高效生产具有一定的意义。

1矿井概况

山西某矿主采煤层为3#煤，煤层厚度在2.9～5.4m范围内，平均为5.23m，倾角在2～16°范围内，平均为8°，煤层内含有1～2层夹矸，岩性主要为炭质泥岩，在矿井开采范围内煤层赋存稳定，属于结构简单煤层。4305工作面为矿井的一个综采工作面，工作面长度为150m，工作面煤层顶底板如图1所示。对工作面煤层进行窥视以及物理力学测试后，煤体抗压强度在3.4～6.3MPa范围内，煤层强度较低，并且4305工作面开采范围内，煤层内节理裂隙发育较多，因此属于松软破碎煤层。

根据工作面开采过程中对煤壁的宏观矿压显现情况，工作面在正常回采期间，煤壁片帮块体较小，片帮深度小于1.5m，高度大约在1～1.5m范围内，且仅在工作面中上部位置出现片帮现象。当工作面发生周期来压时，煤壁出现片帮的现象增多，在全工作面均有片帮情况出现，且片帮块体变大，高度在2～2.5m范围内，片帮深度约为2m。在4305工作面开采初期，受到断层的影响，顶板局部有冒顶现象出现，但冒顶岩块体积较小，顶板仍具有较好的完整性。但推进至200m后，工作面机头处冒顶现象严重，冒顶块体体积增大，均超过2m3，严重影响工作面的正常生产。

2工作面煤壁片帮冒顶因素分析

工作面开采后，周围岩体内的应力平衡状态被破坏从而引起围岩应力的重新分布，当岩体承受的应力大小超过其承受能力后，岩体将发生破坏。由于松软煤层煤体较为破碎，承载能力较弱，受到工作面的回采与来压影响，煤体极易破坏冒落，导致工作面出现严重的片帮、冒顶等现象。

2.1片帮影响因素分析

2.1.1煤体自身结构因素。为得到工作面煤体强度，在现场收集煤块，进行切割打磨后采用伺服压力测试系统对煤体抗压强度进行了测试，测试煤样共3组，测试结果如表1所示。从结果可以看出，3#煤层抗压强度在3.4～6.3MPa范围内，属于软弱煤层，另外4305工作面开采范围内，煤体内部节理裂隙发育较多。采用TYGD10岩层钻孔探测仪进行钻孔窥视，现场窥视结果如图2所示。从图中可以看出，煤体内裂隙以垂直裂隙为主，局部位置垂直裂隙贯穿整个煤层，导致煤体水平方向连续性较差，当工作面开采至裂隙发育位置时，煤体将沿着裂隙出现片帮现象。

2.1.2工作面超前支承应力因素。工作面开采过程中，周围岩体应力分布如图3所示。煤壁超前区域属于应力升高区，具体表现为煤壁内部出现应力集中现象，特别是工作面发生来压时。当工作面支架移架时，支架高度会降低，顶板此时失去支撑物出现下沉现象，导致煤壁承受的应力进一步增大，由于煤体承载能力较低，容易发生破坏出现片帮现象。根据现场矿压观测结果，煤壁片帮现象主要集中在顶板发生周期来压后，并且片帮岩块体积增大，片帮现象持续时间长。

2.1.3工作面开采工艺因素。工作面采煤机割煤时，前滚筒割煤高度为3.2m，沿底板进行割煤，剩余2.03m的顶煤靠其自重垮落，因此工作面煤壁形状不一，支架护帮板无法对煤壁起到很好的支撑作用，加之移架过程中会出现空顶情况，导致煤壁承载加大，出现片帮现象。

2.1.4工作面开采高度因素。表2为工作面在推进过程中煤壁的片帮情况，从表中结果可以看出，当开采高度大于4.5m时，煤壁片帮现象较多，这是由于工作面采高的增大，实体煤区域承受顶板的载荷更大，并且煤层强度较低，受工作面采动影响，煤体内裂隙发育较多，易出现片帮现象。

2.2冒顶因素分析

工作面在推进过程中，在裂隙发育区域与煤壁片帮区域有冒顶现象发生，冒顶因素主要包括煤壁片帮、区域地质构造以及煤层采高三方面。

煤壁片帮因素。当工作面煤壁出现片帮时，工作面顶板出现空顶区域，由于液压支架无法及时对空顶区域进行支撑，顶板容易出现冒顶现象。工作面顶板冒顶一般发生在煤壁片帮之后，与片帮现象有着一定的时间联系。

区域地质构造因素。4305工作面在推进过程中会经过断层构造地带，而在断层地带煤层顶板破碎程度较大。根据现场观测结果，工作面推进至150m时，冒顶现象最为严重，冒落岩块高度最大达到3.5m。结合4305工作面地质条件，在该位置存在高差为1.5m的断层，导致工作面顶板比较破碎，易出现冒顶现象。

采高因素。4305工作面在开采过程中，开采高度变化较大，特别是在机尾位置。根据对采高的测量，工作面最大开采高度达到6.5m，最小为4.2m。受到工作面采高的影响，工作面液压支架在移架过程中升架高度在不断地变化，在支架的作用下顶板破碎程度增大，稳定性降低，并且支架移架時长增大，煤壁前方空顶时间增长，顶板在无支撑作用下易出现冒顶现象。

3治理措施

根据上述对工作面煤壁片帮与冒顶影响因素的分析，结合4305工作面现场地质条件，提出治理措施具体如下：

工作面开采过程中，采用打木锚杆的方式对煤壁进行支护;同时改变工作面割煤方式，改为双滚筒割煤，前滚筒割顶煤，后滚筒割顶煤，防止悬挂煤体出现，改善煤壁形态，从而在支架打开护帮板时能够及时对煤壁进行支护，防止煤壁处空顶现象出现。

采用超前注浆的方法对顶板进行加固。注浆材料选择为水泥材料，水与材料按比例为1∶1进行混合，即水与材料的质量分别为1t。由于冒顶主要发生在机尾位置，因此在工作面煤壁超前位置从回风巷内向煤层顶板打注浆孔，注浆孔深度为6m，直径为60mm，与煤层顶板水平夹角在30°～45°范围内。由于4305工作面巷道为矩形断面，宽×高为6.0m×5.2m，因此注浆孔的间、排距为2.5m。注浆钻孔布置如图4所示。

在工作面推进过程中，当顶板处于凹凸不平状态且煤壁有片帮情况存在时，对顶板采取二次支护措施，在顶板“凹入点”打锚索或采用木垛进行支撑，保证无空顶情况的存在。

对工作面开采煤层的厚度进行监测，提前预测煤层厚度的变化，支架支撐高度需严格控制，当煤层厚度较大时，可降低煤层开采高度，防止工作面煤层厚度突然变小时支架前移困难的情况出现。

在确定工作面煤壁片帮与顶板冒顶治理措施后，在4305工作面现场进行了实践，并对工作面推进过程中片帮与冒顶现象进行了监测，监测结果如图5所示。从图中可以看出，采用上述治理措施后，工作面煤壁片帮与冒顶现象明显减少，顶板无大面积冒落现象出现，且工作面在回采期间煤壁无大型块体片帮现象出现，煤壁形态有了很大改善。

4结论

（1）对4305工作面片帮与冒顶的影响因素进行了分析，其中片帮影响因素为：煤体自身结构、工作面超前支承应力、开采工艺、开采高度等;冒顶影响因素为：煤壁片帮、区域地质构造、采高等。

（2）设计了4305工作面煤壁片帮与冒顶治理方案。加入煤壁支护方式，改变工作面割煤方式，此外采用超前注浆的方法对顶板进行加固，还对顶板不平与采高不同情况下的治理措施进行了设计。

（3）制定了4305工作面片帮与冒顶治理方案并在现场进行了实践，根据方案实施后的监测结果，工作面煤壁片帮与冒顶现象明显减少，表明该治理方案能够对片帮与冒顶起到一定的控制作用，对矿井的安全、高效生产具有一定的意义。

【参考文献】

[1]尹希文，闫少宏，安宇，等.大采高综采面煤壁片帮特征分析与应用[J].采矿与安全工程学报，2008，25（2）：222-225.

[2]宁宇.大采高综采煤壁片帮冒顶机理与控制技术[J].煤炭学报，2009，34（1）：50-52.

[3]王恒志，魏忠民.厚煤层切眼和末采期间的锚杆支护技术[J].煤矿支护，2008（3）：43-44.

[4]梁立鹏.大采高综采工作面煤壁片帮机理及控制技术研究[J].能源技术与管理，2018（1）：71-73.

[5]高志杰.采煤工作面煤壁片帮机理及防治技术[J].山西能源学院学报，2012，25（4）：35-37.

[6]王凯.采煤工作面顶板事故的原因及防治措施[J].山西能源学院学报，2015，28（1）：57-58.

[7]申志勇.大采高工作面破碎围岩注浆加固技术[J].煤，2016，25（11）：16-18.