大傾角綜采工作面冒頂機理分析及支護設(shè)計

郭玉強+劉玉元

摘 要：為解決綜采工作面安全通過超大片幫及漏冒頂問題，采用相似材料模擬與現(xiàn)場實際數(shù)理分析相結(jié)合的方法，淺析大傾角堅硬頂板綜采工作面冒頂機理；通過冒頂區(qū)域的設(shè)計方案是在工作面以外10m處新開設(shè)排矸巷，按照邊排矸邊支護邊穿頂?shù)姆绞街ёo冒頂區(qū)域，然后打設(shè)單體支柱護頂，保證正常推采后按照仰斜開采的方式，實現(xiàn)了工作面快速通過冒頂區(qū)域及安全回采。

關(guān)鍵詞：大傾角；冒頂；機理分析；支護設(shè)計

Abstract： In order to solve the problem of roof safety in 1905S fully mechanized coal mining face， the similar material simulation and the practical mathematical analysis are used to analyze the roof failure mechanism of fully mechanized longwall top coal caving mining face. The plan is to set up the new gangue lane 10 meters away from the working face， support the roofing area according to the side edge support and the roofing， and then set up the single pillar to protect the roof， to ensure normal mining in accordance with the tilt mining Way， to achieve the face quickly through the roof area and safe mining.

Keywords： Large angle； Coal mine roof caving； Mechanism analysis Support design

中圖分類號：TD327 文獻標(biāo)識碼：A

1.工作面概況

1905S工作面位于福城煤礦+520水平一采區(qū)南翼，工作面走向長平均742.6m，傾斜長平均159.2m，埋深339.3m～467.8m。開采煤層總體厚度4.25m，煤層傾角在37.7°～43°，平均41°，工作面內(nèi)地質(zhì)條件較復(fù)雜。2016年7月下旬，1905S工作面從30#向溜尾方向發(fā)生多次不同程度的架前片幫事故。因大面積懸頂未及時加強支護，于7月31日工作面40-80#支架前方發(fā)生大面積冒頂事故，冒頂長度70m，冒落寬度平均15m，冒落高度最高37.6m，總冒落矸石近4000m?，如圖1所示。

2.煤層頂?shù)装逄匦约暗V壓參數(shù)

根據(jù)相近工作面及本工作面實測，1905S工作面直接頂為灰?guī)r及砂巖，厚度10.0m；基本頂為砂巖和泥巖，厚度11m；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度3.5m。直接頂初次垮落步距28m，周期來壓步距25m，工作面最大冒落帶高度預(yù)計18m。工作面采用走向長壁綜合機械化采煤法，根據(jù)頂板特性，采用ZY9000/24/50支撐掩護式液壓支架支護頂板，采空區(qū)處理方法為全部垮落法充填采空區(qū)。

3.冒頂機理分析

3.1 大傾角煤層采動后圍巖變形

1905S工作面煤層開采后，沿采面傾斜中、上部的冒落矸石下滑充填作用，使采面下部的頂板巖層受到下滑冒矸支撐作用，此處的直接頂及其上覆巖層較早達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。采面中上部的直接頂巖層冒落后傾斜下滑和堆積充填程度較小，致使其上覆巖層繼續(xù)下沉運動甚至繼續(xù)冒落，從而使冒落帶、裂隙帶的高度比采面下部更大些。當(dāng)30#支架片幫后，引起上部煤層片幫蔓延。大面積空頂造成工作面發(fā)生矛盾事故。因此三帶的異常分布，是工作面極易片幫、冒頂根本原因，如圖2所示。

3.2 工作面冒頂數(shù)值分析

3.2.1 相似材料模擬

為了更合理地對大傾角煤層的頂板結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)假設(shè)，并進行力學(xué)分析，對大傾角煤層進行了相似材料模擬。大傾角條件下，裂隙塊體結(jié)構(gòu)的頂板在傾向均形成圖3的結(jié)構(gòu)，板塊間咬合形成三角拱結(jié)構(gòu)。對于仰偽斜開采，屬采面控頂范圍內(nèi)頂板下部有充填不實在的矸石，主要由下段實體煤支承，上端有滯后的三角煤支承。

頂板位移在傾向中部偏下處最大，此處正是拱頂所在位置，上拱腳位于上部三角煤體上方，下拱腳在下部實體煤中并沿著煤層開采推進，下拱腳下沉量極小，而上拱腳在不斷動態(tài)之中，上拱腳下沉趨勢打破了原拱平衡，但由于拱頂、腳落差變大，使拱趨向更易平衡的條件。由于傾斜拱的存在，限制了頂板的整體下沉，所以大傾角工作面普遍壓力顯現(xiàn)較緩和，同時由于頂板處于斜立狀態(tài)，有沿傾向向下滑移的趨勢，使頂板裂隙塊體之間呈擠壓狀態(tài)，限制轉(zhuǎn)動過程中點接觸。

3.2.2 現(xiàn)場實測

通過對1905S工作面開采近兩個月的支架初撐力、頂板下沉量、來壓顯現(xiàn)程度、來壓步距等數(shù)據(jù)分析得出以下結(jié)論：工作面50-80#支架初撐力比1-40#支架大20%～30%，80-90#支架初撐力比1-40#支架大5%～15%；工作面50-70#支架頂板下沉量比1-40#支架大15%～20%，70-90#支架頂板下沉量比1-40#支架大5%～10%。大傾角煤層開采時，頂板巖層在采場傾斜中上段附近的運動幅度和破壞程度均大于采場中下段。

對1905S工作面冒頂區(qū)域現(xiàn)場測量后得出以下曲線（圖4），該曲線表明：直接頂冒落高度沿傾斜位置而變化。

從傾斜剖面上看，直接頂及其上覆巖層由于沿傾斜從下到上所受到的支撐狀態(tài)的不同，因而同一指定巖層的運動幅度也隨傾斜位置而不同，表現(xiàn)為下部小于上部，上中部位置的頂板巖層運動相對下段劇烈一些。從實測研究中也測得采面來壓時上部支柱載荷多大于下部。

由于冒矸下滑充填作用，頂板巖層在采空區(qū)后方形成了沿采面傾斜上中下位置處不同的力學(xué)結(jié)構(gòu)。中、下段處的直接頂巖層有可能構(gòu)成“砌體拱”的小結(jié)構(gòu)，并直接影響采面該位置處的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。上覆巖層“大結(jié)構(gòu)”易于平衡，但下部直接頂“小結(jié)構(gòu)”則易于失穩(wěn)。小結(jié)構(gòu)失穩(wěn)將引起“大結(jié)構(gòu)”基礎(chǔ)的擾動，這種擾動將引起采場支架與圍巖關(guān)系在一定程度和范圍內(nèi)調(diào)整，從而引起采場支架載荷的變化。

研究表明，大傾角煤層采面直接頂上覆堅硬巖層時在走向上形成“砌體梁”或“砌體板”的結(jié)構(gòu)。隨采面的推進，直接頂巖層的上分層在采空后方處多有可能形成“砌體拱”，這種“砌體拱”主要存在于采面中、下段。該“砌體拱”屬處于上部關(guān)鍵巖層的“砌體梁或板”大結(jié)構(gòu)保護之下的小結(jié)構(gòu)。此小結(jié)構(gòu)既要受大結(jié)構(gòu)運動規(guī)律的影響，也受自身巖性的作用。它的失穩(wěn)對采面支架載荷呈一定的動載影響，并直接導(dǎo)致大面積冒頂事故。

3.3 其他相關(guān)原因

工作面采用ZY9000/24/50支撐掩護式液壓支架支護頂板，該支架支撐力較大，防倒、防滑能量較弱，穩(wěn)定性較差。另外該工作面支架從1904N工作面撤除后簡單維修即投入使用，部分支架護幫板破損嚴(yán)重，支架底調(diào)油缸部分損壞。支架初撐力對于控制直接頂?shù)碾x層、破碎及裂隙的發(fā)展是重要的因素，但工作面支架的初撐力往往達不到額定初撐力的要求，使剛暴露的直接頂?shù)貌坏郊皶r支護，造成直接頂因超前支承壓力產(chǎn)生較多裂隙，進而變成破碎或裂隙發(fā)育的頂板，給架前冒頂創(chuàng)造了條件。支架護幫板破損嚴(yán)重造成片幫嚴(yán)重，底調(diào)油缸的損壞大大減弱了支架穩(wěn)定性和防倒型，無法產(chǎn)生較大的抵抗力來阻止中上部失穩(wěn)巖體的下滑，造成冒頂事故的發(fā)生。

4.工作面冒頂區(qū)域支護設(shè)計及回采措施

1905S工作面的大冒頂事故，首先需要解決的就是4000m?矸石的清理和冒頂區(qū)域的支護工作。通過對多種方案的對比分析，采用了如下方案：

（1）在工作面下端頭以外10m的運輸巷上幫沿9煤頂板施工160m長的溜矸道與1905S補回風(fēng)巷貫通。為對工作面冒頂區(qū)域進行加強支護并且進行分段排放矸石，在巷道施工至121.5m處及74m處分別施工長度為30m、20m的排矸道分別與工作面56#、65#支架貫通。

（2）排矸道貫通56#支架后，在排矸道與溜矸道交岔處安設(shè)扒裝機排矸，冒落矸石從溜矸道下滑到工作面轉(zhuǎn)載機，使用皮帶運輸至煤倉。因工作面傾角較大，扒裝機排矸時，工作面冒頂矸石隨之下滑，冒頂區(qū)支護按照邊排矸邊支護邊穿頂?shù)姆绞竭M行。冒頂區(qū)域隨著矸石的外排逐漸露出頂板，當(dāng)頂板外露1m～2m后停止排矸，采用Φ17.8×L6200mm或Φ21.6×L8000mm的鋼絞線配雙層鋼帶或工字鋼及金屬菱形網(wǎng)按照1000×1000mm的間排距支護頂板及兩幫，支護順序為“自上而下，先頂后幫”。頂板及兩幫支護完成后，使用工字鋼配合圓木及方木進行穿頂支護至直接頂高度。

（3）排矸和穿頂工作完成后，在工作面支架頂梁前方，按照間排距1m×1m打設(shè)4.5m單體支柱，支護架前頂板，防止已支護的冒頂區(qū)域再次垮落。機道貼幫柱距刮板輸送機鏟板0.9m～1.2m，保證循環(huán)進度煤機正常通行，拉架、推溜順暢。實行仰斜開采，1-20#支架留底煤減小整體工作面推采角度及工作面下部支架傾斜角度。

結(jié)語

（1）工作面發(fā)生片幫后，未及時支護引起煤壁子片幫蔓延，大面積空頂為頂板斷裂冒頂提供了條件。

（2）相似材料模擬及現(xiàn)場實測證明：大傾角條件下，裂隙塊體結(jié)構(gòu)的頂板在傾向均形成咬合的三角拱結(jié)構(gòu)。頂板位移在傾向中部偏下處最大，此處正是拱頂所在位置，上拱腳位于上部三角煤體上方，下拱腳在下部實體煤中并沿著煤層開采推進，下拱腳下沉量極小，而上拱腳在不斷動態(tài)之中，上拱腳下沉趨勢打破了原拱平衡，但由于拱頂、腳落差變大，使拱趨向更易平衡的條件。

（3）大傾角煤層采動后的圍巖移動的異常分布，誘導(dǎo)工作面發(fā)生片幫、冒頂事故。大傾角綜采工作面中部偏上的煤壁上部及深部因“三帶”異常分布易產(chǎn)生劈裂區(qū)，架前頂板產(chǎn)生壓縮變形區(qū)。周期來壓后，將使劈裂區(qū)及壓縮變形區(qū)進一步擴大，并在老頂斷裂處產(chǎn)生拉斷區(qū)。當(dāng)周期來壓步距和強度較大時，將使煤壁劈裂區(qū)、架前頂板壓縮變形區(qū)和拉斷區(qū)連通，形成貫通式拉應(yīng)力區(qū)，引發(fā)架前大冒頂。

（4）大傾角綜采工作面支架失穩(wěn)、護幫及支撐力不足，極易引起堅硬頂板下滑造成冒頂事故。大傾角工作面支架選型原則必須先是支得起、護的好、穩(wěn)得住。開采堅硬煤層和頂板的支架，應(yīng)及時移架，盡量減小端面空頂距，及時控制直接頂斷裂和位移。

（5）發(fā)生架前大冒頂，應(yīng)盡量避免搬遷工作面，因搬遷費用高、大冒頂區(qū)的圍巖不穩(wěn)定，威脅設(shè)備拆除和搬移的安全。在工作面以外掘進溜矸道及排矸巷，按照邊排矸邊支護邊穿頂?shù)姆绞街ёo冒頂區(qū)域。待排矸和穿頂工作完成后，在工作面支架頂梁前方，打設(shè)單體支柱支護架前頂板，保證煤機正常通行，拉架、推溜順暢。

（6）工作面正常推采后實行仰斜開采減小整體工作面推采角度，1-20#支架留底煤減小工作面下部支架傾斜角度，防止因支架歪斜造成工作面片幫冒頂事故的發(fā)生。

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