李铁良

(潞安集团安全仪器测试中心，山西 长治 046204)

引 言

我国已探明的煤炭储量中，厚及特厚煤层的储量占比及产量占比均达到40%以上，对于保障我国的工业生产及能源供给至关重要。厚及特厚煤层的传统开采方法为分层开采，随着装备及技术的发展，进入新世纪以来，我国煤矿工作者又逐渐提出了大采高综采及综放的概念，并不断进行工程实践运用，使其在我国各大矿区得到了广泛应用，为煤矿工业的高产高效做出了突出贡献。然而，随着采高的增加，采场端面煤岩体的控制难度也随之增大，支架-围岩关系恶化，易出现端面煤岩体冒顶片帮，对安全生产造成重大威胁[1]。本文针对典型大采高综采工作面的端面煤岩体控制问题展开研究，分析其端面煤岩块体的冒落机理，并制定控制措施。

1 工程概况

2502大采高综采工作面开采2#煤层，煤层赋存稳定，厚度3.9 m～4.6 m，平均4.4 m，倾角2°～17°，平均8°。煤层直接顶为泥岩、砂质泥岩，厚2 m～6 m。老顶为中砂岩，厚3 m～10 m。底板为砂质泥岩，厚3 m。工作面采用ZY7600-26/55型掩护式液压支架，采高4.4 m，工作面最大控顶距5 375 mm，最小控顶距4 575 mm，每刀煤进尺800 mm。工作面采用走向长壁后退式采煤法，采用全部垮落法管理顶板。影响生产的主要构造为断层和陷落柱，同时工作面直接顶为泥岩及砂质泥岩，须加强顶板管理。

2 端面煤岩块体冒落机理分析

大采高综采工作面同普通工作面相比，其最大的不同之处在于由于采高的增加，煤体采出后形成的采空区空间也大幅度增加，因而需要更大厚度的直接顶冒落来充填采空区，故原本能在一定程度上发生弯曲下沉、断裂挤压后形成平衡砌体梁结构的老顶亚关键层，由于无法触矸而发生较大程度的下沉并失稳，直至作为直接顶板垮落到采空区内。总的来说，大采高综采工作面最宏观的覆岩变化特征是垮落带高度增大，裂缝带高度继续向上发展，直至在更高的关键层形成平衡结构，同时其下位岩层的垮冒性增强，不利于端面煤岩体的有效控制。

煤层顶板有大量原生裂隙存在，随着工作面的推进，超前支承压力逐渐前移，对工作面前方的煤岩体形成应力扰动，使原生裂隙灯结构弱面不断发育，并形成了大量的次生裂隙。K1属于原生裂隙，受应力扰动裂隙增大易导致离层；K2、KK2和K2KK2三种裂隙类型属于次生裂隙类型，产生原因包括支承压力、顶板运动和液压支架支撑扰动等，在产生次生裂隙后端面煤岩块体易沿着次生裂隙继续发展直至破坏[2-3]。端面煤岩体裂隙组合示意图，如图1所示。

图1 端面煤岩体裂隙组合示意图

当采煤机割煤过后，位于煤壁的煤体及煤壁上方的岩体有了临空面，尤其是煤壁与顶板(端面)交角区域，其受力状态瞬间变化，使得端面煤岩块体承受较大建立，并沿裂隙面发生剪切破坏，与内部煤岩体逐渐脱离，此时，由于端面距的存在或支架支护不及时，脱离掉的煤岩块失去支撑，即发生端面片帮冒顶，此为端面煤岩块体冒落的基本机理，如图2所示。

图2 端面煤岩块体冒落示意图

3 端面煤岩体控制措施

3.1 端面关键块体平衡控制措施

端面煤岩体力学性质包括裂隙类型、裂隙角度、裂隙面上摩擦系数和黏结力，端面关键块体铅垂方向载荷W包括端面其自重和上覆岩层附加载荷。液压支架指向煤壁方向的水平支护力T能有效地增强块体抗滑能力，进而防止关键块体滑落破坏的发生[4-5]。根据关键块体的受力平衡分析，可制定其控制措施，如图3所示。

图3 端面关键块体平衡控制措施

3.2 现场采取措施及应用效果分析

1) 确保支护强度。确保液压支架支护强度达标是基本条件，必须首先保证其初撑力不低于规程规定值；其次必须降低支架操作对顶板的扰动程度，采取带压移架措施，避免反复升降支架，防止诓顶；三是规范支架操作，确保支架接顶严实，初撑力一次升至合格，并正确使用前探梁及护帮板，加强端面煤岩体的支架防护。

2) 确保支架合理位态。首先确保支架梁端距合格(一般不超过0.3 m)，及时移架伸出护帮板，防止因工艺、管理及操作原因导致的梁端距超标；其次确保采高一致，顶梁平直，防止出现顶梁台阶，确保顶板的同步变化，防止局部漏冒顶；三是控制好顶梁俯仰角，使支架能向端面煤岩体提供足够的水平支护力；四是出现端面冒顶片帮时应及时接顶、护帮处理，防止因不处理或处理不及时不到位导致事故恶化。

3) 确保支架正常工况。液压支架的稳定工作是保障支架—围岩状态的关键一环，若支架出现千斤顶漏液、密封件失效、液压元件内外泄露以及出现其他构件损坏，依靠支架控制断面煤岩体则难以很好实现，因此，日常工作中应加强管理，每天按照标准对全部液压支架进行维护，处理故障，确保液压支架可靠使用。

4) 2502大采高综采工作面始终将端面煤岩体控制作为工作面工程质量管理的最重要一环来抓，在日常管理中异常强调支护强度的达标、支架几何位态的管理及液压支架的日常维护，整个工作面推采过程中仅发生局部轻度片帮冒顶事故，且均在1个生产班内处理完毕，未发生大范围严重冒顶片帮事故，保障了工作面的安全顺利生产。

4 结语

大采高综采工作面端面煤岩体因受多重应力扰动，裂隙高度发育，且位于工作面回采后的塑性区内，易因较大剪应力而发生端面煤岩体片帮冒顶事故，是大采高综采工作面的管理重点和难点。现场管理中应着重加强液压支架支护强度、规范液压支架操作、控制液压支架几何位态、加强液压支架日常检修维护，确保液压支架的良好工况，从而保证支架—围岩系统的稳定性控制，保障工作面的安全顺利生产。