厚表土層薄基巖條件下大采高綜采工作面漏頂機(jī)理分析

郭亞楠

(山西省霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司， 山西 呂梁 033200)

1 前言

大采高綜采技術(shù)是指對(duì)3.5m以上的厚煤層一次采全高的綜采工藝，是厚煤層開采的重要發(fā)展方向，近十年來(lái)大采高綜采工藝有了長(zhǎng)足的發(fā)展[1]。但是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，對(duì)于開采厚表土層薄基巖淺埋煤層過(guò)程中，采用大采高綜采工藝，工作面煤壁及頂板控制難度大，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，容易造成工作面頂板破碎。本文通過(guò)對(duì)某煤礦西翼采區(qū)2101煤層大采高工作面的礦壓觀測(cè)，結(jié)合上位基本頂大結(jié)構(gòu)破斷分析，分析厚表土層薄基巖淺埋條件下的大采高綜采工作面頂板漏頂機(jī)理。

2101工作面是某礦西翼首采區(qū)首采工作面，首采2- 1煤層，煤層賦存穩(wěn)定，無(wú)自燃特性。2101工作面的煤層平均厚度約為5.2m，處于初設(shè)回采上限-350m以下。工作面采用大采高綜采工藝，工作面長(zhǎng)度約200m，走向長(zhǎng)度約為1 500m，煤層傾角平均為8°，是一個(gè)近水平工作面。工作面基本支架型號(hào)為ZY10800/30/65，共120個(gè)支架。工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度1.4～7.6m，平均4.2m。在回風(fēng)巷道與工作面交匯處布置了取芯鉆孔，其鉆孔巖性表見表1。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)實(shí)驗(yàn)得出細(xì)砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度為45MPa，中細(xì)砂巖的抗壓強(qiáng)度為41MPa，而且?guī)r層裂隙較發(fā)育。

表1 2101工作面與回風(fēng)巷道交匯處鉆孔巖性表

2 2101工作面頂板漏頂現(xiàn)象實(shí)測(cè)

通過(guò)對(duì)2101工作面采場(chǎng)礦壓觀測(cè)，工作面初次來(lái)壓歩距約為30.8m。自工作面開切眼回采至70m時(shí)，工作面回采較順利，在此期間，工作面周期來(lái)壓平均步距約為15.2m。由于整個(gè)回采初期機(jī)頭的推進(jìn)速度要快于機(jī)尾，導(dǎo)致頂板來(lái)壓不同于一般工作面。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)：大采高綜采工作面支架平均初撐力為6 032kN，為額定初撐力(7 916kN)的76.2%。最大工作阻力為10 320kN，為額定工作阻力(10 800kN)的95.6%。而從回采70m至100m共經(jīng)歷了3次較大范圍的漏頂，嚴(yán)重影響了工作面的安全生產(chǎn)，尤其是工作面回采至89m時(shí)，工作面支架53～69#架段發(fā)生漏頂，頂板破碎，發(fā)生漏頂，超前漏頂范圍約1m，而且漏頂期間煤壁片幫嚴(yán)重，支架壓力峰值平均在44MPa,且伴隨有液壓支架安全閥的開啟，安全閥開啟時(shí)甚至呈現(xiàn)霧狀，說(shuō)明液壓支架工作阻力較大，遠(yuǎn)大于液壓支架安全閥的開啟值?；仫L(fēng)巷道的頂?shù)滓平看?，超前煤?m處的巷道嚴(yán)重變形，頂板下沉量大。工作面頂板漏頂現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 工作面頂板漏頂素描

3 工作面漏頂機(jī)理分析

結(jié)合工作面礦壓顯現(xiàn)情況及1號(hào)鉆孔巖性柱狀表，建立相應(yīng)的頂板破斷垮落結(jié)構(gòu)的模型，具體情況如圖2所示。

由表1及圖2可知，表1中的第25層細(xì)砂巖(厚2.5m)、第27層中砂巖(厚2.9m)、第29層細(xì)砂巖(厚2.7m)中間隔有兩層泥巖，但其厚度分別為0.7m及1m，比較薄從而不會(huì)對(duì)巖層運(yùn)動(dòng)起決定性的影響，因此將第25層細(xì)砂巖、第27層中砂巖及第29層細(xì)砂巖看作一個(gè)整體，此巖層厚度為8.1m。

圖2 工作面頂板破斷垮落結(jié)構(gòu)

根據(jù)“砌體梁”理論，隨著工作面推進(jìn)，上位基本頂巖梁懸漏長(zhǎng)度進(jìn)一步加大，當(dāng)上位基本頂巖梁強(qiáng)度達(dá)到極限值時(shí)，上位基本頂產(chǎn)生產(chǎn)生O—X破斷，破斷巖塊相互擠壓產(chǎn)生摩擦力，形成三鉸拱式平衡。從上位基本頂斷裂過(guò)程及斷裂狀態(tài)的分析可知，上位基本頂破裂位置發(fā)生在頂梁的中部位置[2]，上位基本頂破斷前后的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 上位基本頂斷裂前后結(jié)構(gòu)

對(duì)于圖3a，根據(jù)材料力學(xué)兩端固支梁受力分析，梁內(nèi)任意點(diǎn)的正應(yīng)力σ為

(1)

式中：M——該點(diǎn)所在斷面的彎矩；

h——固支梁度；

(2)

當(dāng)σmax=RT時(shí)，即巖層在該處的正應(yīng)力達(dá)到該處的抗拉強(qiáng)度極限，巖層將在該處拉裂。因此，這種梁斷裂時(shí)的極限跨距為

(3)

h=8.1m，由表1可知，其單軸抗壓強(qiáng)度約為45MPa，RT一般取單軸抗壓強(qiáng)度的1/10～1/12，此處取4MPa，q取145kPa，代入式(3)中，計(jì)算求得L=59.8m。

即圖2中頂梁EGFH的破斷距離為59.8m，將在中間O1O2處破裂向下回轉(zhuǎn)，即頂梁EGFH一分為二，每段梁的長(zhǎng)度為29.9m將向下回轉(zhuǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)特征可知，靠近工作面一側(cè)的O1O2HF梁回轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)造成下部巖層回轉(zhuǎn)甚至整體切落，JMKI巖塊整體切落，且?guī)r塊下端是位于煤壁前方，此時(shí)作用在煤壁前方頂板巖層巖塊上的載荷較大，因而會(huì)引起采場(chǎng)來(lái)壓顯現(xiàn)的增強(qiáng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室力學(xué)分析看出，頂板巖層裂隙發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)性差，造成巖體的總體強(qiáng)度較低，且煤層頂板巖層多為泥巖，強(qiáng)度較低，脆性大，此時(shí)作用在煤壁前方頂板巖層巖塊上的載荷較大時(shí)，會(huì)造成煤壁前方頂板巖層的破碎。

4 工作面頂板漏頂?shù)囊恍?yīng)對(duì)措施及效果

(1)強(qiáng)制性放頂：在回風(fēng)巷道對(duì)工作面煤層上方30～40m實(shí)行強(qiáng)制性放頂，減少工作面來(lái)壓步距[3]。

(2)架棚支護(hù)頂板：自69#支架開始向下架棚至53#支架處理該段漏頂區(qū)域，架棚后補(bǔ)打錨索進(jìn)行加固；

(3)化學(xué)材料加固：工作面架棚后沿工作面走向及傾向向架棚段煤壁及頂板注化學(xué)加固材料加固[4]。

(4)超前預(yù)注漿“人造假頂”:垂直巷幫向工作面機(jī)頭方向先間隔1m施工50m長(zhǎng)鉆孔注水泥漿加固，后在兩長(zhǎng)鉆孔之間補(bǔ)打同樣傾角的鉆孔注高分子材料加固，所有鉆孔均下鋼絲繩形成整體頂板方式加固頂板(按-9°施工，終孔落在煤層上方1.0m處泥巖頂板)。

效果評(píng)價(jià)：通過(guò)對(duì)工作面煤層上方30～40m實(shí)行強(qiáng)制性放頂以及對(duì)煤層頂板“人造假頂”的措施后，至目前工作面均正?；夭?，未再發(fā)生片幫漏頂現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1)對(duì)于工作面屬于厚表土層薄基巖淺埋深的條件下，采用大采高綜采技術(shù)，工作面頂板控制難度大，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，容易造成工作面頂板破碎，造成工作面漏頂。

(2)上覆巖層大結(jié)構(gòu)拉伸破斷，作用在下面巖層巖塊上的載荷較大，下面巖塊容易出現(xiàn)滑落失穩(wěn)，在滑落失穩(wěn)過(guò)程中，由于在靠近煤層頂板的巖層承受的壓力最大，而煤層頂板巖層的強(qiáng)度較低，脆性大，這也解釋了煤層頂板破碎的原因。

(3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明：工作面漏頂后，對(duì)頂板進(jìn)行強(qiáng)制放頂、架棚支護(hù)頂板、化學(xué)材料加固、超前預(yù)注漿“人造假頂?shù)却胧┻M(jìn)行頂板控制，能夠有效的緩解片幫漏頂現(xiàn)象。