“三软”不稳定厚煤层综放工作面片帮冒顶的分析与控制

摘要：根据三软煤层的特点，介绍了综放工作面煤壁片帮和支架前方冒顶的原因，并针对这些制约综放工作面高产高效的技术难题所采取的控制措施。

关键词：“三软”煤层  片帮冒顶  分析与控制

一、概 述

郑州矿区主要开采的二叠系山西组二1煤层，煤层赋存极不稳定，煤厚0–37.8m，平均7m，煤层变异系数为70%，硬度系数f＜0.8；顶底板起伏变化大，伪顶厚0–1.5m，多为炭质泥岩；直接顶0–28.3m，平均7m，为砂质泥岩和砂质页岩；煤层底板为砂质泥岩，平均厚度8m，允许比压3.7–10.3MPa。为典型的“三软”不稳定煤层。长期以来“三软”煤层的机械化开采受工作面地质条件的限制，一直低产水平，效益差成本高。上下顺槽的顶底板移近量大以及端头支护不合理，上下出口处顶板破碎，维护困难，严重影响了工作面的安全生产。改用综采放顶煤开采后，由于工作面采用了过渡支架，上下端头及顺槽尾部状况有所改善，但工作面支架前方煤壁及端面的片帮冒顶现象没有根本性转变。特别是放顶煤开采后，松软煤层成为工作面支架上方的顶板，支架前方冒顶现象经常发生，需要投入大量的人力、物力进行处理，工作面推进速度缓慢。支架承受顶板压力的时间较长，造成支架底座陷底严重，如遇工作面底板起伏变化大，支架底座下方为煤底时，底座前方陷底深度达到200mm以上，移架时阻力大，有的甚至移不动支架。而且支架经常处于栽头状态，影响采煤机的正常运行。综采产量最低时只有3–4万吨/月，产量低效益差，工人劳动强度大。如何解决“三软”煤层工作面支护和快速移架问题，是遏制片帮冒顶的根本途径。我们对“三软”不稳定厚煤层条件下控制工作面煤壁的片帮冒顶机理及解决的有效途径进行研究。对支架进行一系列改造，使之更适应“三软”煤层条件下的支护要求。经过长期不懈的努力创建了一套“三软”煤层综放支架悬挂式提底座快速移架技术，使三软不稳定厚煤层综采放顶煤工作面的高产高效获得成功。

二、片帮冒顶的危害及原因分析

由于我公司所采煤层为“三软”不稳定厚煤层，煤的硬度系数仅为0.3–0.5。采煤机割煤后，煤壁上部煤体立即脱落，机道上方新暴露出的顶煤也会大量垮落。随着煤壁上部煤体和机道空间顶煤垮落范围的不断扩大，逐渐形成了煤壁片帮，片帮深度一般在0.5–1.5m，范围波及整个工作面。需要投入大量坑木、椽子等支护材料进行人工支护，浪费了大量的人力、物力。严重影响了工作面的正常生产，月产只有3–5万吨，产量低效益差。片帮冒顶给工作面带来了严重的安全隐患，往往在进行人工支护和人员在煤墙清煤作业时，出现人员的人身伤亡事故。大范围的片帮得不到及时支护，就会发生大的冒顶事故，严重危及工作面的安全生产。大面积冒顶会造成人员的伤亡，阻塞工作面风路，造成局部瓦斯大量聚集，酿成瓦斯爆炸事故。严重危及工作面和整个矿井的安全。

根据我们与中矿北京研究生部联合对米村矿、超化矿进行的矿压观测表明，综合机械化放顶煤开采时，顶煤在煤壁前方10m处即开始移动，并且距煤壁越近位移量逐渐增大（如图所示），在煤壁前方，顶煤、顶板的位移频率低：在煤壁后方，顶煤、顶板的位移频率高。说明煤壁前方，顶煤、顶板的位移与采煤工艺关系密切。顶煤位移的频率比顶板位移的频率高，说明顶煤的完整性比顶板低。

据观测：顶煤在位移过程中距煤壁0m处和–4m处位移量较大：顶板在位移过程中距煤壁–6m处位移速度明显增大。顶板在距煤壁0m处位移有所增加，但没有顶煤大，其位移较大增点滞后于顶煤第二个较大增点2m。距煤壁0m处，顶煤低位测点的位移速度大于高位测点的位移速度：顶煤测点的位移速度大于直接顶测点的位移速度。根据对顶煤、顶板位移的观测，顶煤、顶板的位移呈突变状，说明顶煤、顶板的破坏为断裂破坏；在煤壁后方，顶煤、顶板的位移与采煤工艺有关，位移主要发生在采煤、移架和放煤期间。

 所以，工作面片帮、冒顶都与采动影响有着密切关系，如何控制煤壁后顶煤的位移和垮落，对安全生产非常重要。应针对煤壁后方6m的范围内，采取综全有效的措施，控制煤壁片帮和架前冒顶。

三、控制方法

根据对片帮冒顶原因的分析，顶煤发生激烈位移是在煤壁后方的6m范围内，控制此范围内的顶板和顶煤的下沉速度，对减少煤壁的片帮和架前冒顶有着密切的关系，我们采取了以下几项综合治理的方法，效果比较明显。

1、提高工作面支架的初撑力，对改善顶板的离层，减少顶板位移起到了很好的作用。

我公司最初使用的综采支架为ZYZ架型，支架的初撑力600KN，工作阻力1500KN。二根大立柱支撑在掩护梁上，顶梁用一根平衡千斤顶支撑，平衡千斤顶的推力为592KN，对顶梁前端的作用力非常小，支架顶梁出现前端低后端高的栽头现象。顶煤大量从顶端流出，造成支架上方大面积空顶，使上覆岩层的支承压力前移，从而造成煤壁的片邦和架前的冒顶，严重危及工作面的安全生产。90年代初期我们采用了综采放顶煤开采技术，采用ZFS3600/19/28型放顶煤支架，该支架初撑力为3140KN，工作阻力3600KN。该架型为四柱式中位放顶支架，采用了带内伸缩式伸缩梁的长顶梁，两侧设有能伸缩的侧护板，对架间有良好的封闭性能。初撑力的提高对顶煤的控制能力大大增强，使支架能够升得起顶行住。特别是提高了梁端的支撑力，消除了支架的栽头现象，提高了对顶煤的控制能力。

2、实现全封闭管理顶板的措施，控制顶煤、顶板的位移。

由于“三软”煤层的原因，顶煤受超前支承压力的影响，顶煤的位移速度逐渐加剧，煤的破坏程度严重，随着工作面的不断推进，顶煤被多次挤压搓揉后，块煤减少，粉煤和碎煤量增大。粉煤会沿支架的缝隙大量涌入工作面空间，如果支架前端的顶煤被大量流出，会造成如前所述的煤壁片帮和架前冒顶。如何控制支架上方粉煤和碎煤的大量流出，是控制顶煤位移的关键。针对这些问题我们和沈阳煤研所合作，对放顶煤支架进行了多次改进，其中最重要的一项改进就是采用了整体长顶梁和支架的全封闭技术，顶梁长度3190mm，宽度1430–1600mm，采用两侧伸缩式侧护板，使用时根据需要可以锁住一侧，侧护板的伸缩长度为170mm，掩护梁也采用两侧可伸缩式侧护板，使用时和顶梁侧护同步伸缩。实现了支架的全封闭，控制了粉煤向工作面空间的大量涌入，实现了工作面顶板的全封闭管理，有效的控制了架前冒顶和工作面煤壁的片帮。（支架如图所示）

3、减少机道无支护空间的空顶时间，预防煤壁和机道上方顶煤的大量垮落。

采煤机过后到移架需要10–15m的滞后距离（因先推溜后移架），在此范围内，支架到煤壁的宽度为800mm，如果空顶在50m，就是40平方米的空顶面积，采煤机割煤后得不到及时支护，煤壁和机道空顶范围内的顶煤就会大量垮落，造成架前冒顶现象。针对这个问题，我们在支架技术改造时，在支架长顶梁上特别设计了800mm长的内伸缩式伸缩梁。当采煤机前滚筒过后，立即把伸缩梁伸出及时支护顶板，防止了机道空顶范围内的顶煤大量垮落，彻底杜绝了架前冒顶。另外800mm长的伸缩梁直接伸到煤壁，顶住煤壁上部煤体，给煤壁一个推力，防止煤壁上部煤体的脱落，起到了防止煤壁片帮的作用。800mm长的伸缩梁不但起到及时支护的作用，而且在防止煤壁片帮也发挥了很好的作用。煤壁片帮的范围得到了控制。减少了大量的人工支护工作量，而且节约了大量的坑木、椽子等支护材料，吨煤成本相对降低，并且减少了人员的人身伤亡。

4、带压快速移架，减少顶板的反复支撑。

因三软煤层支架陷底的原因，移架时不能一次前移600mm的距离，每次只能移200–300mm，移架时需要反复降架–移架–升架的操作，造成顶板反复支撑，使支架上方顶煤位移速度加剧。部分支架移一架需要6–7分钟的时间，每班推溜拉架占总有效时间的1/3左右，是制约综放产量的主要原因。为此我们采取了增大拉架力的措施，把拉架油缸的缸径由原来的140mm，增大到160mm，拉架力由原来的  KN增大到503KN。拉架力增大后情况有所好转，拉架速度明显提高。但经使用一段时间后发现，连接支架的拉架油缸的销子经常被拉断或弯曲变形，部分后推杆60mm的园钢框架被拉断，需要经常更换连接销和后推杆，所以总影响时间没有根本性好转。在长期的生产实践中，我们逐渐摸索出一套适合三软煤层的快速移架方法（该技术已审报国家专利）。在支架顶梁的两侧靠近前立柱上柱窝处，各悬挂一根提底座油缸，并在支架底座两侧安装两个下柱窝，两柱窝相距600mm的距离。拉架时先将提底座油缸打在相应的下柱窝内，供液使油缸升紧，再把拉架手柄放到拉架位置，然后降支架的四根大立柱，使底座抬起100–200mm的高度，当支架开始前移时停止降柱，收回伸缩梁，支架拉到位置后升起支架的四根大立柱，再把提底座油缸收回。整个移架过程支架顶梁始终保持支撑位置，起到了带压移架的目的。采用该方法后，移一架的时间由原来的6–7分钟，缩短到15秒钟，效率提高20倍。

四、结论

我们认为在“三软”煤层条件下控制煤壁的片帮及由大面积片帮引起的架前冒顶现象，关键是在保证支架有足够初撑力的基础上，在时间和空间上尽量对顶煤进行全封闭管理，采取带压快速移架，使顶煤的位移量减少。通过采取上述一系列措施后，片帮冒顶得到根本性遏制，工作面的安全生产条件有较大改善。综放工作面单产由最初的5–6万吨/月，提高到目前的12–19万吨/月，直接工效达20吨/工以上。综放年产量由50–60万吨/年，提高到130–190万吨/年，创全国“三软”厚煤层综采放顶煤同类条件下单产最高纪录。

参考文献：吴键  “三软”不稳定厚煤层综采放顶煤相关技术研究  鉴定技术资料  1996