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放頂煤工作面漏頂現(xiàn)象分析及防治措施

文檔作者：田海波文檔來源：山西潞安集團潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年08月28日
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放頂煤工作面漏頂現(xiàn)象分析及防治措施
田海波
（山西潞安集團潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司， 山西寧武036700）
摘要應(yīng)力場的變化和破碎帶的形成使煤層及其頂?shù)装鍘r層的穩(wěn)定性狀況發(fā)生改變， 并導(dǎo)致在開
采過程中采場圍巖的穩(wěn)定性以及相應(yīng)的礦壓顯現(xiàn)特征發(fā)生改變。松軟煤層條件下綜采工作面的漏頂、
片幫是影響正常生產(chǎn)的主要礦壓顯現(xiàn)形式，在分析工作面煤壁片幫力學(xué)機制的基礎(chǔ)上，提出了防止綜
采放頂煤工作面漏頂、片幫的力學(xué)途徑及技術(shù)措施。
關(guān)鍵詞放頂煤開采；煤壁片幫；頂煤漏冒
中圖分類號：TD327.2 文獻標(biāo)志碼：B 文章編號：1009-0797（2016）04-0024-03
1 工作面漏頂現(xiàn)象的力學(xué)分析
1.1 開采煤層狀態(tài)分區(qū)
放頂煤開采時， 回采煤體的初始平衡穩(wěn)定應(yīng)力
狀態(tài)被改變， 且處于放頂煤工作面的不同位置的煤
體對應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)不同，物性狀態(tài)也不同。一般情況
下，從回采工作面開始，煤體由近及遠分別處于松動
區(qū)、破碎區(qū)、破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，如圖1 所示。
由于煤層所處的應(yīng)力場和物理力學(xué)性質(zhì)不同， 造成
綜放工作面煤壁和端面頂煤處于不同的物性狀態(tài)，
一般情況下， 通過綜放回采工藝回采的工作面煤壁
及端面頂煤處于松動、破碎或破裂的物性狀態(tài)[1]。
圖1 煤層物性狀態(tài)分析
1.2 工作面漏頂?shù)牧W(xué)機制
由上述分析可知， 放頂煤工作面的煤壁及端面
頂煤的破壞程度較大，自身的承載力較弱，或已完全
失去承載能力， 由于受回采工作面位置的特殊和生
產(chǎn)工藝條件局限的影響， 很難采用支護措施向煤壁
及端面頂煤施加圍壓， 不可能使其處于三向受壓的
力學(xué)狀態(tài)。因此，當(dāng)受到回采和放頂擾動時，很容易
發(fā)生端面頂煤漏冒和煤壁片幫與垮落的劇烈礦壓現(xiàn)
象。端面頂煤的漏冒大體可以分為2 種情形：①端面
的關(guān)鍵塊體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后垮落； ②是煤體破碎成松散
狀態(tài)后直接冒落[2]。
若放頂煤工作面的端面頂煤破裂成較大的塊
體，其力學(xué)特征就符合塊體力學(xué)原理，如果此時端面
頂煤塊體結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了關(guān)鍵塊體， 頂煤冒落現(xiàn)象就
會發(fā)生，關(guān)鍵塊體的形狀、大小和端面塊體的結(jié)構(gòu)特
征決定了端面頂煤的冒落高度和范圍，如圖2 所示。
而端面頂煤中的關(guān)鍵塊體能否出現(xiàn)取決于頂煤中水
平擠壓力的大小、煤層內(nèi)摩擦角的大小和塊體邊界
面與臨空面的空間位置關(guān)系等因素。處于破碎狀態(tài)
下的端面頂煤的力學(xué)特征近似于散體介質(zhì)，在充分水
平擠壓的作用下，端面下部的煤體由于受到重力作用
而會發(fā)生冒落現(xiàn)象，形成如圖3 所示的自然冒落平衡
拱結(jié)構(gòu)。根據(jù)散體介質(zhì)的力學(xué)原理可以得出，煤體的
性質(zhì)和端面空頂距的大小會影響冒落拱的高度[3]。
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 煤壁片幫的力學(xué)機制
由于放頂煤工作面的煤壁及端面頂煤處于強度
破壞階段，自身的承載能力較弱，或已完全失去承載
能力， 由于受到所處位置特殊和生產(chǎn)工藝條件的限
制，很難給煤壁及端面頂煤施加圍壓，不可能使其處
于三向受壓的力學(xué)狀態(tài)。因此，在采動及放頂煤擾動
影響下，工作面的煤壁會發(fā)生壓剪式、劈裂式、滑落
式或者橫拱式的片幫垮落現(xiàn)象。
2.1 壓剪式片幫的力學(xué)機制
如果處于煤壁處的煤體在放頂煤采動影響下發(fā)
煤礦現(xiàn)代化2016年第4期總第133期
·24·
生較小程度的破碎，其仍然會保留一部分殘余強度，
當(dāng)受到較大的支承壓力影響時， 放頂煤工作面的煤
壁將發(fā)生如圖4 所示的剪切滑移式片幫[4] 。根據(jù)庫侖
- 摩爾強度理論可以得出煤壁與剪切滑移面之間的
角度β 可由下式計算：
β=45°-φ2
式中：φ 為回采煤體的內(nèi)摩擦角。
圖4 煤壁發(fā)生壓剪、滑落式片幫示意圖
最大片幫深度約為
Δα=Mtg（45°-φ2
）
式中：M 為采高。
2.2 重力滑落式片幫的力學(xué)機制
如果煤壁處的煤體在采動影響下發(fā)生比較嚴(yán)重
的破碎，則其殘余強度幾乎為零，煤壁因受到自身重
力作用而會發(fā)生滑落式片幫現(xiàn)象，最后將會形成圖4
所示的散體介質(zhì)式的自然安息狀態(tài)。運用散體介質(zhì)
理論分析可知：滑落安息角α 在數(shù)量上與回采煤體
的內(nèi)摩擦角φ 相等，煤壁的最大片幫深度由下式計
算得出：
Δα=Mctgφ。
2.3 劈裂式片幫的力學(xué)機制
沒有全部被破壞、與層理在結(jié)構(gòu)上垂直且裂隙
發(fā)育程度較高的煤體因被揭露而會失去橫向約束作
用，處于平面雙向應(yīng)力狀態(tài)，煤壁因受到支承壓力影
響而發(fā)生如圖5 所示的劈裂式片幫垮落現(xiàn)象。煤體
的強度、采高、裂隙的分布狀況和支承壓力的分布特
征等因素會影響煤壁的片幫深度。
圖5 煤壁劈裂式片幫示意圖
2.4 橫拱形片幫的力學(xué)機理
由工程巖體被圍壓擾動而破壞的原理可以得
出， 被揭露后的回采煤體會發(fā)生向外鼓出的形變現(xiàn)
象，其原因是受到了橫向膨脹力作用。參考普氏冒落
圖6 橫拱形片幫示意圖
拱理論的相關(guān)分析可以得出，如果放頂煤工作面煤
壁處的煤體完全破碎但塊體仍然較大，煤壁因受到
垂直層理的影響而發(fā)生如圖6 所示的橫拱形片幫垮
落現(xiàn)象，最大片幫深度可由下式計算：
Δα=M
2f
式中：M 為采高；f 為普氏系數(shù)。
3 防止漏頂、片幫的力學(xué)途徑及技術(shù)措施
3.1 防止漏頂、片幫的力學(xué)途徑
綜上所述，煤體的非連續(xù)性物性狀態(tài)和無圍壓應(yīng)
力狀態(tài)是放頂煤工作面發(fā)生端面頂煤漏冒和煤壁片
幫的根本原因。放頂煤生產(chǎn)工藝必然會造成工作面煤
體的非連續(xù)性物性狀態(tài)特征，所以，只有通過改善煤
壁和端面頂煤的受力情況，才能有效避免或者減輕端
面頂煤發(fā)生漏冒和煤壁發(fā)生片幫的礦壓現(xiàn)象，具體可
以從減小煤壁的支撐壓力、減小無圍壓煤體的范圍和
增強對端面頂煤的水平擠壓作用力等方面著手。
3.2 防止漏頂、片幫的技術(shù)措施
由防止端面頂煤漏冒和煤壁片幫的力學(xué)途徑知
道，可以采取以下2種措施來防止端面頂煤的漏冒和
煤壁的片幫： 一是要充分發(fā)揮工作面支架的護幫、護
頂作用和支撐能力； 二是在設(shè)計工作面布置方案時，
盡可能地不要出現(xiàn)仰斜開采，改變回采煤體自由面和
重力之間的空間關(guān)系，保證支架對頂煤施加一定的水
平作用力。具體措施及作用如下：①通過及時移架來
減小端面頂煤的空頂距和冒頂高度；②盡最大可能減
小控頂距，使煤壁和支架形成一個整體的力學(xué)支撐體
系；③及時伸出工作面支架的前探梁和護幫板，使其
作用充分發(fā)揮，防止頂煤冒空，保持頂煤水平傳遞力
的能力；④通過增大工作面支架的初撐力及工作阻力
來充分發(fā)揮其支撐能力，從而使煤壁中的支承壓力作
用降低，從力學(xué)角度根本上避免或者削弱煤壁片幫垮
落現(xiàn)象的發(fā)生；⑤通過帶壓移架和提高支架的推移能
力， 保證頂煤一直受到一定的垂直和水平作用力，減
少對頂煤的反復(fù)加、卸載次數(shù)。
參考文獻：
[1] 李建國，田取珍，楊雙鎖. 河灘溝煤礦綜放面煤壁片幫機
煤礦現(xiàn)代化2016年第4期總第133期
·25·
理及其控制[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2003（12）：73-75.
[2] 孟超. 大傾角大采高工作面煤壁失穩(wěn)機理及控制[D].中國
礦業(yè)大學(xué)，2013.
[3] 白飛，王鵬，閆明，閆銘. 大采高采場煤壁片幫和頂板冒落
相關(guān)性研究[J]. 煤，2014（6）：71-73.
[4] 沈建波. 大采高工作面煤壁片幫機理與應(yīng)用研究[D].山東
科技大學(xué)，2011.
作者簡介：
田海波（1987-），男，山西朔州人，本科，畢業(yè)于山西大同
大學(xué)，助理工程師，從事煤炭生產(chǎn)工作。
（收稿日期：2016-6-30）
The Analysis of Leak Roof Phenomenon and Prevention Measures in Caving Coal Face
Abstract: Changes in stress field and formation of fracture zones make the stability of coal seam and roof floor strata change, lead to the stability
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.
Keywords: Top Coal Caving; Coal Wall Spalling; The Collapse of Top Coal
北宿煤礦高檔普采機械化技術(shù)研究
王德堂1，何森2，步長城2，孫鵬2
（1.山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院， 山東青島266590； 2. 兗州煤業(yè)股份有限公司北宿煤礦， 山東鄒城273500）
摘要高檔普采是介于綜采和炮采之間的一種開采工藝，它采用機械化開采，炮采支護工藝，高檔
普采工藝的應(yīng)用既減輕了工人的勞動強度，又有效保障了煤質(zhì)，對薄煤層機械化開采有非常好的借鑒
意義。通過對高檔普采的工藝研究，改革回采工藝，革新輔助設(shè)備，加強技術(shù)保障，科學(xué)組織生產(chǎn)等措
施，實現(xiàn)北宿煤礦薄煤層高產(chǎn)高效創(chuàng)水平。
關(guān)鍵詞高檔普采；設(shè)備選型；配套研究
中圖分類號：TD823.98 文獻標(biāo)志碼：B 文章編號：1009-0797（2016）04-0026-03
1 引言
北宿煤礦現(xiàn)主采16 上和17 兩層煤，煤層厚度分
別為0.91m、0.97m，煤層普遍含有硫化鐵結(jié)核體和硬
夾矸。受硫化鐵結(jié)核的影響，截至目前，落煤工藝始
終未全部實現(xiàn)機械化， 沒能從根本上解決勞動強度
大、效率低等問題?，F(xiàn)生產(chǎn)的3 個采煤工作面只有
1677 一個綜采工作面，且受液壓支架頂梁影響，工作
面采高至少在1.2m 以上方可滿足煤機過機高度要
求，對煤質(zhì)產(chǎn)生較大影響，嚴(yán)重制約開采效率。為降低
采高，保證煤質(zhì)，減輕勞動強度，提高生產(chǎn)效率，全面
實現(xiàn)北宿煤礦薄煤層機械化開采， 于2015 年3 月提
出高檔普采工作面開采工藝及裝備應(yīng)用技術(shù)研究。
2 設(shè)備的選型配套研究
2.1 采煤機
（1）滾筒的確定。采用雙滾筒，可以一次采全高、
雙向采煤、自開缺口，能夠適應(yīng)煤層厚度的變化，機
器穩(wěn)定性好。根據(jù)成套裝備適應(yīng)的采高范圍和采煤
機有一定的臥底截割能力， 在保證截割部強度的基
礎(chǔ)上，將滾筒直徑確定為900mm。滾筒寬度根據(jù)工作
面支護設(shè)計，將采煤機單刀割煤進尺定為550mm，考
慮滾筒裝煤效果，滾筒寬度確定為630mm。
（2）過煤空間尺寸的確定?？傮w平衡采煤機機面
高度、裝機功率和過煤空間三者的關(guān)系，確定采煤機
機身下面的過煤空間不小于200mm。
（3）機身高度的確定。根據(jù)采煤機上方支護材料
的厚度、頂板下沉及底板起伏情況。采煤機與運輸機
配套機身高度控制在735mm 以內(nèi)。
（4）牽引速度。根據(jù)所開采煤層中硫化鐵結(jié)核和
硬夾矸的分布狀況、硬度及塊度的實際情況，以及薄
煤層開采中工人無法以較快的速度跟機操作等客觀
因素的限制， 采煤機正常割煤時牽引速度選定為
1.6～3m/min。
（5）裝機功率的選擇。裝機功率越大生產(chǎn)能力和
破煤能力越強?？紤]到需要對硫化鐵結(jié)核和硬夾矸
剝離和破碎， 在滿足以上配套設(shè)備空間尺寸的前題
下，選擇大截割功率的采煤機。
根據(jù)上述分析結(jié)果， 經(jīng)調(diào)研確定選擇雞西煤礦
機械有限公司生產(chǎn)的MG2×70/325-BWD 型交流電
煤礦現(xiàn)代化2016年第4期總第133期
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