大傾角大采高綜采面覆巖移動(dòng)特征及頂板穩(wěn)定性控制

張國(guó)紅，吳 鑫，吳洪勝，董立軍

(1.中海油新能源(準(zhǔn)格爾)煤基能源有限公司，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾旗 010300；2.重慶松藻煤電有限責(zé)任公司石壕煤礦，重慶 401449)

大傾角大采高煤層開(kāi)采技術(shù)目前的發(fā)展水平遠(yuǎn)低于緩傾斜煤層，存在著一系列難以解決的技術(shù)問(wèn)題[1-5]。如支架穩(wěn)定性、頂板穩(wěn)定性控制等問(wèn)題，還需根據(jù)不同的地質(zhì)條件改進(jìn)更為合理的控制技術(shù)。大傾角煤層采用大采高綜采采煤方法旨在安全生產(chǎn)的前提下，提高資源回采率，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效[6-8]。某礦3上509工作面使用ZY6600-25.5/55型大型液壓支架、MG650/1480-WD采煤機(jī)等大型配套綜機(jī)設(shè)備，采用大采高一次采全厚綜采工藝，雖然突破原有技術(shù)水平，提高了資源回采率，但在大傾角大采高復(fù)雜地質(zhì)條件下，工作面頂板的整體穩(wěn)定性控制仍然在很大程度上影響著安全高產(chǎn)高效目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，開(kāi)展大傾角大采高綜采覆巖移動(dòng)特征及頂板控制技術(shù)的研究非常必要。本文針對(duì)某礦的具體條件，分析大傾角大采高在不同傾角下綜采采場(chǎng)覆巖移動(dòng)特征及其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，進(jìn)而對(duì)頂板穩(wěn)定性控制技術(shù)進(jìn)行研究，并提出較為有效的控制措施。對(duì)同類開(kāi)采技術(shù)條件的礦井具有指導(dǎo)借鑒意義。

1 工作面地質(zhì)條件

某礦3上509工作面所采煤層為二疊系山西組3上煤層，煤層總體為一單斜構(gòu)造，煤層厚度基本穩(wěn)定，根據(jù)鉆孔資料及兩道、切眼實(shí)際揭露，煤層厚度最小3.75m，最大6.2m，平均5.5m。煤層傾角最小12°，最大31°，平均19°左右，局部煤層含有一層夾矸，厚度0.3m左右，煤層結(jié)構(gòu)屬于復(fù)雜。煤層硬度f(wàn)=1.5。工作面傾斜長(zhǎng)度220m。煤層頂板：偽頂為泥巖，厚度為0.4m，直接頂為粉細(xì)砂巖，平均在10.4m。上下之間的巖柱最小2.6m，最大6.2m，平均4.4m。底板上部為泥巖，下部為粉砂巖。

2 覆巖移動(dòng)數(shù)值模擬研究

以3上509工作面地質(zhì)條件建立數(shù)值計(jì)算模型，為充分考慮煤層開(kāi)采后，上覆巖層沿工作面走向的垮落、變形狀況，本模擬根據(jù)高莊礦的圍巖條件建立了沿工作面傾向的兩個(gè)不同傾角的模型，兩個(gè)模型的傾角分別為25°、35°。煤層及其頂?shù)装鍘r層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 煤層及其頂?shù)装鍘r層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

模型在進(jìn)行初步的試運(yùn)算后，根據(jù)運(yùn)算情況在煤層的頂板距煤層10.7m處設(shè)置監(jiān)測(cè)線(煤層頂板上方距煤層10.7m處為老頂?shù)撞?，工作面傾向模型選用一次開(kāi)挖，采高5.5m。

2.1 傾向(傾角25°時(shí))數(shù)值模擬結(jié)果

傾向(傾角25°)模型模擬工作面開(kāi)采后，相關(guān)模擬結(jié)果與計(jì)算結(jié)果如圖1～2所示。

如圖1所示，模擬得到了3上509工作面開(kāi)采后的覆巖破斷及其變形狀況。綜合考慮應(yīng)力、位移和塑性區(qū)的分布狀況，可以得出3上509工作面開(kāi)采后沿工作面傾向的兩帶高度約59～63m(圖1(f)可以比較直觀的判斷出頂板圍巖塑性區(qū)高度約60m，為采高的12.5倍)。

由圖1(c)可知，工作面下端頭處實(shí)體煤應(yīng)力集中程度較大，而上端頭實(shí)體煤應(yīng)力得到一定的釋放集中程度較小。即因?yàn)樯隙祟^覆巖應(yīng)力的釋放，工作面上端頭往往礦壓顯現(xiàn)較為劇烈。

由圖1(e)可知，工作面開(kāi)挖后，頂板水平位移較大，而垂直位移較小，即在大傾角條件下，覆巖水平位移較大，頂板水平方向的移動(dòng)，產(chǎn)生較大的水平側(cè)向應(yīng)力，給支架穩(wěn)定性帶來(lái)巨大的威脅。

由圖2可知，大傾角條件下，工作面開(kāi)采后覆巖垮落狀況與近水平條件下覆巖垮落狀況有著很大的差別。近水平條件下覆巖水平位移較小，只集中在上覆巖層局部的一些區(qū)域。而大傾角條件下覆巖水平位移值都很大(覆巖水平位移較大，表明覆巖水平應(yīng)力即頂板側(cè)向應(yīng)力較大)，相反垂直位移則較小。

傾向(傾角25°)模型巖層監(jiān)測(cè)線的變形量如表2所示。根據(jù)軟弱隔水巖層的臨界水平變形值為2～3mm/m，由表2可知，工作面上方10.7m處頂板水平變形值為49.3mm/m，表明工作面上方距煤層10.7m處頂板處于兩帶之中。

表2 傾向(傾角25°)模型巖層變形量

2.2 傾向(傾角35°時(shí))數(shù)值模擬結(jié)果

傾向(傾角35°)模型模擬工作面開(kāi)采后，相關(guān)模擬結(jié)果與計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

傾角為35°時(shí)的模型數(shù)值模擬結(jié)果顯示，工作面開(kāi)采后沿工作面傾向的兩帶高度約62～68m，頂板圍巖塑性區(qū)高度約65m，為采高的13倍。工作面傾角為35°比傾角為25°時(shí)兩帶高度有所增加。傾角為35°時(shí)，工作面采用大采高采煤工藝(采出厚度5.5m)，圍巖垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力均呈現(xiàn)較大的集中，工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈。

圖1 3上509工作面開(kāi)采后的模擬結(jié)果(傾角25°)

圖2 3上509工作面頂板上方10.7m處的變形

圖3 3上509工作面開(kāi)采后的模擬結(jié)果(傾角35°)

對(duì)比工作面傾角為25°時(shí)模型的應(yīng)力、位移分布情況，覆巖水平應(yīng)力明顯增大。即當(dāng)工作面傾角增大以后，工作面?zhèn)认驊?yīng)力大幅增加，給工作面支架的防滑防倒帶來(lái)困難。由圖3(e)可知，直接頂水平位移較大，底板有較小底鼓，但水平位移很小。直接頂與底板水平位移的差異，造成底板-支架-頂板運(yùn)動(dòng)的不一致，對(duì)支架穩(wěn)定性帶來(lái)很大的威脅，而且對(duì)于控制頂板穩(wěn)定性也帶來(lái)一定困難。

對(duì)比工作面傾角25°時(shí)的變形監(jiān)測(cè)值，工作面傾角為35°時(shí)，隨著工作面的開(kāi)挖，上覆巖層兩帶高度增大，頂板受采動(dòng)影響波及范圍更廣，頂板垂直位移(覆巖下沉值)，水平位移都有所增加，易冒頂或片幫，對(duì)于控制頂板帶來(lái)一定困難。

傾向傾斜(傾角35°)模型巖層監(jiān)測(cè)線的變形量如表3所示。

表3 傾向(傾角35°)模型巖層變形量

由表3可知，工作面傾角35°比傾角25°水平位移出現(xiàn)了較大的增幅，即大傾角條件下，隨工作面傾角的增加，底板-支架-頂板運(yùn)動(dòng)不一致的情況將更為嚴(yán)重，因此大傾角工作面頂板控制對(duì)支架的穩(wěn)定性要求更高。

某礦3上509臨近工作面3上503工作面(采用綜采放頂煤開(kāi)采工藝；已采)觀測(cè)試驗(yàn)的最大導(dǎo)水裂縫帶高度為55.9m。對(duì)比臨近工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況，由于大采高采煤工藝比放頂煤采煤工藝采出率的增加，使其兩帶高度有所增大。但總體上差異不大，說(shuō)明數(shù)值模擬的模擬結(jié)果可信。

3 大傾角大采高支架與頂板關(guān)系分析

煤層傾角是影響采場(chǎng)礦山壓力的主要因素之一。大傾角綜采面頂板受支承壓力的作用和重力沿傾斜方向的分力作用而變形破壞，其綜采面頂板移動(dòng)軌跡是一條逐漸接近重力作用方向而非法線方向的曲線[9]。頂板越不穩(wěn)定，其移動(dòng)曲線偏離法線越遠(yuǎn)。如圖4、圖5所示，頂板移動(dòng)的法向分量對(duì)支架產(chǎn)生垂直作用力，有利于支架的穩(wěn)定。頂板移動(dòng)的切向分量對(duì)支架產(chǎn)生側(cè)向力，導(dǎo)致支架傾倒。由于隨傾角增加，重力的切向分力增大，而法向分力減小，使得頂板移動(dòng)對(duì)支架產(chǎn)生垂直作用力減小，而引起支架失穩(wěn)的側(cè)向力變大。因此，提高支架的工作阻力對(duì)有效的控制頂板作用不大，關(guān)鍵是提高支架的穩(wěn)定性。

圖4 工作面整體模型

圖5 工作面整體支架力學(xué)模型

同時(shí)，由上述數(shù)值模擬分析可知，工作面傾角增大后，上覆巖層兩帶高度也隨之增大，兩帶的重力作用在工作面頂板的壓力增大，因而重力的切向分力增大，很大程度上又加大了保持支架穩(wěn)定的難度。

大采高綜采面隨采高的增大，不僅使工作面頂板活動(dòng)空間與老頂懸臂梁結(jié)構(gòu)的彎距加大，使工作面壓力加大(較一般綜采面高10%～30%)，而且工作面上覆巖層垮落帶及裂隙帶高度加大，使采場(chǎng)采動(dòng)影響波及范圍增大，很容易發(fā)生冒頂或片幫。支架在冒頂后失去上部約束，在大傾角的情況下極易傾倒，支架傾倒后工作狀況和承載特性的下降又使工作面頂板出現(xiàn)進(jìn)一步冒落。

因此，支架與圍巖是相互作用相互影響的，圍巖的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響支架的工作狀況和承載特性，而支架的工作狀況又反過(guò)來(lái)影響到對(duì)頂板的維護(hù)效果[10]。

4 大傾角大采高工作面頂板穩(wěn)定性控制

根據(jù)上述覆巖移動(dòng)特征的數(shù)值模擬結(jié)果及支架與頂板關(guān)系分析，針對(duì)3上509工作面具體條件，采取頂板穩(wěn)定性的控制措施效果顯著，主要有以下方面。

1) 根據(jù)已開(kāi)采的西五采區(qū)工作面礦壓觀測(cè)資料，煤層頂板老頂來(lái)壓明顯，直接頂為二類頂板，工作面?zhèn)雾敒?.4m的泥巖，隨采隨冒。頂板來(lái)壓時(shí)，最大支護(hù)強(qiáng)度為735kN/m2。3上509工作面的頂板管理采取全部垮落法，工作面共配置154架液壓支架，對(duì)工作面的頂板實(shí)行全支護(hù)法管理。液壓支架要盡量適應(yīng)頂板的曲線移動(dòng)軌跡，因而對(duì)液壓支架的要求是：支架設(shè)計(jì)伸縮梁，確保在采煤機(jī)過(guò)后能夠及時(shí)維護(hù)架前頂板；支架頂梁采用整體頂梁，盡量使頂梁受力均勻；支架采用進(jìn)口密封圈、采用不銹鋼液壓閥、提高液壓缸的加工精度和結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度等方面來(lái)提高支架的可靠性。

2) 工作面正常工作時(shí)，采用追機(jī)移架的方式對(duì)頂板進(jìn)行及時(shí)支護(hù)。采用帶壓移架的方式進(jìn)行移架，正常移架滯后采煤機(jī)滾筒3～4架，不超過(guò)6m。

①煤機(jī)進(jìn)刀，向上下正常割煤時(shí)，自下(上)而上(下)滯后煤機(jī)后滾筒3～4架移架；②采煤機(jī)割煤并移架后要及時(shí)伸出護(hù)幫板進(jìn)行支護(hù)，防止煤壁片幫冒頂；③采煤機(jī)割煤時(shí)，超前采煤機(jī)前滾筒3架將護(hù)幫板收回，并滯后采煤機(jī)后滾筒3架將護(hù)幫板伸出。④由圖1(c)可知，工作面下端頭處實(shí)體煤應(yīng)力集中程度較大，而上端頭實(shí)體煤應(yīng)力得到一定的釋放集中程度較小。因此，要加強(qiáng)上、下端頭頂板管理，提高支護(hù)質(zhì)量，適當(dāng)加大支護(hù)密度，確保端頭頭支架鋪設(shè)頂網(wǎng)與巷道頂網(wǎng)搭接0.5m以上，防止出現(xiàn)端頭冒頂，加強(qiáng)端頭頂板管理；⑤3上509工作面傾角最大達(dá)到31°，支架采高較大(采高5.5m)，而支架支護(hù)寬度僅1.5m，造成支架極易向機(jī)頭方向歪斜。因此，在移架過(guò)程中，改變?cè)械淖窓C(jī)移架為機(jī)頭向機(jī)尾單向移架，利用支架側(cè)護(hù)板及時(shí)調(diào)整支架架向，保證支架的垂直度在正負(fù)50°范圍內(nèi)。⑥工作面壓力

大、煤層頂板破碎時(shí)，支架緊跟前滾筒移架或及時(shí)超前移架或用木料接頂，杜絕大型頂板事故的發(fā)生；當(dāng)發(fā)現(xiàn)片幫嚴(yán)重時(shí)，在采煤機(jī)進(jìn)行割煤之前，就超前移架，及時(shí)支護(hù)煤壁。

3) 在支架底座增設(shè)底調(diào)可以增加工作面整體的穩(wěn)定性，各個(gè)支架通過(guò)底調(diào)連接在一起，共同支撐著頂板來(lái)壓時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向壓力；充分利用支架側(cè)護(hù)板千斤頂、側(cè)推彈簧使支架頂梁相互靠緊、沒(méi)有間隙，避免支架的歪斜、傾倒，進(jìn)而更好的控制頂板。在鄰架頂梁間增設(shè)調(diào)架千斤頂，當(dāng)支架出現(xiàn)傾倒時(shí)，以支撐頂板的相鄰支架作支點(diǎn)，用千斤頂調(diào)整該支架位置。

4) 頂板-支架-底板運(yùn)動(dòng)的不一致，給支架傾倒帶來(lái)較大威脅。解決其較為有效的方法是在頂梁與頂板之間增設(shè)金屬網(wǎng)，因金屬網(wǎng)與支架間的摩擦系數(shù)較小，支架與頂板間只存在支撐作用而幾乎沒(méi)有摩擦力的作用。其效果在于釋放了頂板下滑的能量、增強(qiáng)了支架的穩(wěn)定性，對(duì)頂板支護(hù)效果更為明顯。

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