放顶煤工作面漏顶现象分析及防治措施

田海波

【摘 要】Changes in stress field and formation of fracture zones make the stability of coal seam and roof floor strata change, lead to the sta-bility of surrounding rock and ground pressure behavior change in the mining process. The collapse of top coal and coal wall spalling under soft seam conditions is the main effects of strata pressure behavior form. On the basis of analysis of mechanics principles of coal wall spalling, put forward the mechanics ways and technological measures of preventing coal wall spalling and collapse of top coal in caving coal face.%应力场的变化和破碎带的形成使煤层及其顶底板岩层的稳定性状况发生改变，并导致在开采过程中采场围岩的稳定性以及相应的矿压显现特征发生改变。松软煤层条件下综采工作面的漏顶、片帮是影响正常生产的主要矿压显现形式，在分析工作面煤壁片帮力学机制的基础上，提出了防止综采放顶煤工作面漏顶、片帮的力学途径及技术措施。 【期刊名称】《煤矿现代化》 【年(卷),期】2016(000)004 【总页数】3页(P24-25,26)

【关键词】放顶煤开采;煤壁片帮;顶煤漏冒 【作 者】田海波

【作者单位】山西潞安集团潞宁孟家窑煤业有限公司，山西 宁武 036700

【正文语种】中 文 【中图分类】TD327.2 1.1 开采煤层状态分区

放顶煤开采时，回采煤体的初始平衡稳定应力状态被改变，且处于放顶煤工作面的不同位置的煤体对应的应力状态不同，物性状态也不同。一般情况下，从回采工作面开始，煤体由近及远分别处于松动区、破碎区、破裂区、塑性区和弹性区，如图1所示。由于煤层所处的应力场和物理力学性质不同，造成综放工作面煤壁和端面顶煤处于不同的物性状态，一般情况下，通过综放回采工艺回采的工作面煤壁及端面顶煤处于松动、破碎或破裂的物性状态［1］。 1.2 工作面漏顶的力学机制

由上述分析可知，放顶煤工作面的煤壁及端面顶煤的破坏程度较大，自身的承载力较弱，或已完全失去承载能力，由于受回采工作面位置的特殊和生产工艺条件局限的影响，很难采用支护措施向煤壁及端面顶煤施加围压，不可能使其处于三向受压的力学状态。因此，当受到回采和放顶扰动时，很容易发生端面顶煤漏冒和煤壁片帮与垮落的剧烈矿压现象。端面顶煤的漏冒大体可以分为2种情形：①端面的关键块体结构失稳后垮落；②是煤体破碎成松散状态后直接冒落［2］。

若放顶煤工作面的端面顶煤破裂成较大的块体，其力学特征就符合块体力学原理，如果此时端面顶煤块体结构中出现了关键块体，顶煤冒落现象就会发生，关键块体的形状、大小和端面块体的结构特征决定了端面顶煤的冒落高度和范围，如图2所示。而端面顶煤中的关键块体能否出现取决于顶煤中水平挤压力的大小、煤层内摩擦角的大小和块体边界面与临空面的空间位置关系等因素。处于破碎状态下的端面顶煤的力学特征近似于散体介质，在充分水平挤压的作用下，端面下部的煤体由于受到重力作用而会发生冒落现象，形成如图3所示的自然冒落平衡拱结构。根

据散体介质的力学原理可以得出，煤体的性质和端面空顶距的大小会影响冒落拱的高度［3］。

由于放顶煤工作面的煤壁及端面顶煤处于强度破坏阶段，自身的承载能力较弱，或已完全失去承载能力，由于受到所处位置特殊和生产工艺条件的限制，很难给煤壁及端面顶煤施加围压，不可能使其处于三向受压的力学状态。因此，在采动及放顶煤扰动影响下，工作面的煤壁会发生压剪式、劈裂式、滑落式或者横拱式的片帮垮落现象。

2.1 压剪式片帮的力学机制

如果处于煤壁处的煤体在放顶煤采动影响下发生较小程度的破碎，其仍然会保留一部分残余强度，当受到较大的支承压力影响时，放顶煤工作面的煤壁将发生如图4所示的剪切滑移式片帮［4］。根据库仑-摩尔强度理论可以得出煤壁与剪切滑移面之间的角度β可由下式计算： 式中：φ为回采煤体的内摩擦角。 最大片帮深度约为 式中：M为采高。

2.2 重力滑落式片帮的力学机制

如果煤壁处的煤体在采动影响下发生比较严重的破碎，则其残余强度几乎为零，煤壁因受到自身重力作用而会发生滑落式片帮现象，最后将会形成图4所示的散体介质式的自然安息状态。运用散体介质理论分析可知：滑落安息角α在数量上与回采煤体的内摩擦角φ相等，煤壁的最大片帮深度由下式计算得出： 2.3 劈裂式片帮的力学机制

没有全部被破坏、与层理在结构上垂直且裂隙发育程度较高的煤体因被揭露而会失去横向约束作用，处于平面双向应力状态，煤壁因受到支承压力影响而发生如图5所示的劈裂式片帮垮落现象。煤体的强度、采高、裂隙的分布状况和支承压力的分

布特征等因素会影响煤壁的片帮深度。 2.4 横拱形片帮的力学机理

由工程岩体被围压扰动而破坏的原理可以得出，被揭露后的回采煤体会发生向外鼓出的形变现象，其原因是受到了横向膨胀力作用。参考普氏冒落拱理论的相关分析可以得出，如果放顶煤工作面煤壁处的煤体完全破碎但块体仍然较大，煤壁因受到垂直层理的影响而发生如图6所示的横拱形片帮垮落现象，最大片帮深度可由下式计算：

式中：M为采高；f为普氏系数。 3.1 防止漏顶、片帮的力学途径

综上所述，煤体的非连续性物性状态和无围压应力状态是放顶煤工作面发生端面顶煤漏冒和煤壁片帮的根本原因。放顶煤生产工艺必然会造成工作面煤体的非连续性物性状态特征，所以，只有通过改善煤壁和端面顶煤的受力情况，才能有效避免或者减轻端面顶煤发生漏冒和煤壁发生片帮的矿压现象，具体可以从减小煤壁的支撑压力、减小无围压煤体的范围和增强对端面顶煤的水平挤压作用力等方面着手。 3.2 防止漏顶、片帮的技术措施

由防止端面顶煤漏冒和煤壁片帮的力学途径知道，可以采取以下2种措施来防止端面顶煤的漏冒和煤壁的片帮：一是要充分发挥工作面支架的护帮、护顶作用和支撑能力；二是在设计工作面布置方案时，尽可能地不要出现仰斜开采，改变回采煤体自由面和重力之间的空间关系，保证支架对顶煤施加一定的水平作用力。具体措施及作用如下：①通过及时移架来减小端面顶煤的空顶距和冒顶高度；②尽最大可能减小控顶距，使煤壁和支架形成一个整体的力学支撑体系；③及时伸出工作面支架的前探梁和护帮板，使其作用充分发挥，防止顶煤冒空，保持顶煤水平传递力的能力；④通过增大工作面支架的初撑力及工作阻力来充分发挥其支撑能力，从而使煤壁中的支承压力作用降低，从力学角度根本上避免或者削弱煤壁片帮垮落现象的

发生；⑤通过带压移架和提高支架的推移能力，保证顶煤一直受到一定的垂直和水平作用力，减少对顶煤的反复加、卸载次数。

田海波（1987-），男，山西朔州人，本科，毕业于山西大同大学，助理工程师，从事煤炭生产工作。 【相关文献】

［1］李建国，田取珍，杨双锁.河滩沟煤矿综放面煤壁片帮机理及其控制［J］.煤炭科学技术，2003（12）：73-75.

［2］孟超.大倾角大采高工作面煤壁失稳机理及控制［D］.中国矿业大学，2013.

［3］白飞，王鹏，闫明，闫铭.大采高采场煤壁片帮和顶板冒落相关性研究［J］.煤，2014（6）：71-73.

［4］沈建波.大采高工作面煤壁片帮机理与应用研究［D］.山东科技大学，2011.