大傾角大采高綜采面覆巖移動特征及頂板穩定性控制

張國紅，吳 鑫，吳洪勝，董立軍

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

大傾角大采高煤層開采技術目前的發展水平遠低于緩傾斜煤層，存在著一系列難以解決的技術問題[1-5]。如支架穩定性、頂板穩定性控制等問題，還需根據不同的地質條件改進更為合理的控制技術。大傾角煤層采用大采高綜采采煤方法旨在安全生產的前提下，提高資源回采率，實現高產高效[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采煤機等大型配套綜機設備，采用大采高一次采全厚綜采工藝，雖然突破原有技術水平，提高了資源回采率，但在大傾角大采高復雜地質條件下，工作面頂板的整體穩定性控制仍然在很大程度上影響著安全高產高效目標的實現。因此，開展大傾角大采高綜采覆巖移動特征及頂板控制技術的研究非常必要。本文針對某礦的具體條件，分析大傾角大采高在不同傾角下綜采采場覆巖移動特征及其礦壓顯現規律，進而對頂板穩定性控制技術進行研究，并提出較為有效的控制措施。對同類開采技術條件的礦井具有指導借鑒意義。

1 工作面地質條件

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造，煤層厚度基本穩定，根據鉆孔資料及兩道、切眼實際揭露，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，煤層結構屬于復雜。煤層硬度f=1.5。工作面傾斜長度220m。煤層頂板：偽頂為泥巖，厚度為0.4m，直接頂為粉細砂巖，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 覆巖移動數值模擬研究

以3上509工作面地質條件建立數值計算模型，為充分考慮煤層開采后，上覆巖層沿工作面走向的垮落、變形狀況，本模擬根據高莊礦的圍巖條件建立了沿工作面傾向的兩個不同傾角的模型，兩個模型的傾角分別為25°、35°。煤層及其頂底板巖層力學性質參數如表1所示。

表1 煤層及其頂底板巖層力學性質參數

模型在進行初步的試運算后，根據運算情況在煤層的頂板距煤層10.7m處設置監測線(煤層頂板上方距煤層10.7m處為老頂底部)，工作面傾向模型選用一次開挖，采高5.5m。

2.1 傾向(傾角25°時)數值模擬結果

傾向(傾角25°)模型模擬工作面開采后，相關模擬結果與計算結果如圖1～2所示。

如圖1所示，模擬得到了3上509工作面開采后的覆巖破斷及其變形狀況。綜合考慮應力、位移和塑性區的分布狀況，可以得出3上509工作面開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，工作面下端頭處實體煤應力集中程度較大，而上端頭實體煤應力得到一定的釋放集中程度較小。即因為上端頭覆巖應力的釋放，工作面上端頭往往礦壓顯現較為劇烈。

由圖1(e)可知，工作面開挖后，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，產生較大的水平側向應力，給支架穩定性帶來巨大的威脅。

由圖2可知，大傾角條件下，工作面開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，表明覆巖水平應力即頂板側向應力較大)，相反垂直位移則較小。

傾向(傾角25°)模型巖層監測線的變形量如表2所示。根據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)數值模擬結果

傾向(傾角35°)模型模擬工作面開采后，相關模擬結果與計算結果如圖3所示。

傾角為35°時的模型數值模擬結果顯示，工作面開采后沿工作面傾向的兩帶高度約62～68m，頂板圍巖塑性區高度約65m，為采高的13倍。工作面傾角為35°比傾角為25°時兩帶高度有所增加。傾角為35°時，工作面采用大采高采煤工藝(采出厚度5.5m)，圍巖垂直應力、水平應力均呈現較大的集中，工作面礦壓顯現劇烈。

圖1 3上509工作面開采后的模擬結果(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工作面開采后的模擬結果(傾角35°)

對比工作面傾角為25°時模型的應力、位移分布情況，覆巖水平應力明顯增大。即當工作面傾角增大以后，工作面側向應力大幅增加，給工作面支架的防滑防倒帶來困難。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-頂板運動的不一致，對支架穩定性帶來很大的威脅，而且對于控制頂板穩定性也帶來一定困難。

對比工作面傾角25°時的變形監測值，工作面傾角為35°時，隨著工作面的開挖，上覆巖層兩帶高度增大，頂板受采動影響波及范圍更廣，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，對于控制頂板帶來一定困難。

傾向傾斜(傾角35°)模型巖層監測線的變形量如表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-頂板運動不一致的情況將更為嚴重，因此大傾角工作面頂板控制對支架的穩定性要求更高。

某礦3上509臨近工作面3上503工作面(采用綜采放頂煤開采工藝；已采)觀測試驗的最大導水裂縫帶高度為55.9m。對比臨近工作面現場實測情況，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，說明數值模擬的模擬結果可信。

3 大傾角大采高支架與頂板關系分析

煤層傾角是影響采場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]。頂板越不穩定，其移動曲線偏離法線越遠。如圖4、圖5所示，頂板移動的法向分量對支架產生垂直作用力，有利于支架的穩定。頂板移動的切向分量對支架產生側向力，導致支架傾倒。由于隨傾角增加，重力的切向分力增大，而法向分力減小，使得頂板移動對支架產生垂直作用力減小，而引起支架失穩的側向力變大。因此，提高支架的工作阻力對有效的控制頂板作用不大，關鍵是提高支架的穩定性。

圖4 工作面整體模型

圖5 工作面整體支架力學模型

同時，由上述數值模擬分析可知，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空間與老頂懸臂梁結構的彎距加大，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，使采場采動影響波及范圍增大，很容易發生冒頂或片幫。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進一步冒落。

因此，支架與圍巖是相互作用相互影響的，圍巖的運動狀態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來影響到對頂板的維護效果[10]。

4 大傾角大采高工作面頂板穩定性控制

根據上述覆巖移動特征的數值模擬結果及支架與頂板關系分析，針對3上509工作面具體條件，采取頂板穩定性的控制措施效果顯著，主要有以下方面。

1) 根據已開采的西五采區工作面礦壓觀測資料，煤層頂板老頂來壓明顯，直接頂為二類頂板，工作面偽頂為0.4m的泥巖，隨采隨冒。頂板來壓時，最大支護強度為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，對工作面的頂板實行全支護法管理。液壓支架要盡量適應頂板的曲線移動軌跡，因而對液壓支架的要求是：支架設計伸縮梁，確保在采煤機過后能夠及時維護架前頂板；支架頂梁采用整體頂梁，盡量使頂梁受力均勻；支架采用進口密封圈、采用不銹鋼液壓閥、提高液壓缸的加工精度和結構件的強度等方面來提高支架的可靠性。

2) 工作面正常工作時，采用追機移架的方式對頂板進行及時支護。采用帶壓移架的方式進行移架，正常移架滯后采煤機滾筒3～4架，不超過6m。

①煤機進刀，向上下正常割煤時，自下(上)而上(下)滯后煤機后滾筒3～4架移架；②采煤機割煤并移架后要及時伸出護幫板進行支護，防止煤壁片幫冒頂；③采煤機割煤時，超前采煤機前滾筒3架將護幫板收回，并滯后采煤機后滾筒3架將護幫板伸出。④由圖1(c)可知，工作面下端頭處實體煤應力集中程度較大，而上端頭實體煤應力得到一定的釋放集中程度較小。因此，要加強上、下端頭頂板管理，提高支護質量，適當加大支護密度，確保端頭頭支架鋪設頂網與巷道頂網搭接0.5m以上，防止出現端頭冒頂，加強端頭頂板管理；⑤3上509工作面傾角最大達到31°，支架采高較大(采高5.5m)，而支架支護寬度僅1.5m，造成支架極易向機頭方向歪斜。因此，在移架過程中，改變原有的追機移架為機頭向機尾單向移架，利用支架側護板及時調整支架架向，保證支架的垂直度在正負50°范圍內。⑥工作面壓力

大、煤層頂板破碎時，支架緊跟前滾筒移架或及時超前移架或用木料接頂，杜絕大型頂板事故的發生；當發現片幫嚴重時，在采煤機進行割煤之前，就超前移架，及時支護煤壁。

3) 在支架底座增設底調可以增加工作面整體的穩定性，各個支架通過底調連接在一起，共同支撐著頂板來壓時產生的側向壓力；充分利用支架側護板千斤頂、側推彈簧使支架頂梁相互靠緊、沒有間隙，避免支架的歪斜、傾倒，進而更好的控制頂板。在鄰架頂梁間增設調架千斤頂，當支架出現傾倒時，以支撐頂板的相鄰支架作支點，用千斤頂調整該支架位置。

4) 頂板-支架-底板運動的不一致，給支架傾倒帶來較大威脅。解決其較為有效的方法是在頂梁與頂板之間增設金屬網，因金屬網與支架間的摩擦系數較小，支架與頂板間只存在支撐作用而幾乎沒有摩擦力的作用。其效果在于釋放了頂板下滑的能量、增強了支架的穩定性，對頂板支護效果更為明顯。

[1] 林忠明，陳忠輝，謝俊文，等.大傾角綜放開采液壓支架穩定性分析與控制措施[J].煤炭學報，2004(6)：264-268.

[2] 張琳.大傾角復雜地址條件安全高效綜放開采技術研究[D].徐州：中國礦業大學，2006.

[3] 龔宇，閻海琴.大傾角工作面液壓支架的穩定性分析及防倒防滑措施[J].煤礦機械，2006(10)：86-88.

[4] 方伯成.大傾角工作面礦壓顯現分析[J].礦山壓力與頂板管理，1995(3)：26-30.

[5] 藺海山，張國華，蒲文龍.大采高礦壓顯現規律與圍巖控制技術研究[J].山東煤炭科技，2009(2)：135-137.

[6] 張東升，徐金海.礦井高產高效開采模式及新技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[7] 王永東，田銀素.大采高液壓支架使用中存在的問題與對策[J].煤炭科學技術，2002(1)：47-49.

[8] 吳鑫.大傾角大采高綜采支架與頂板穩定性研究[D].徐州：中國礦業大學，2010.

[9] 章之燕.大傾角綜放液壓支架穩定性動態分析和防倒防滑措施[J].煤炭學報，2007(7)：705-709.

[10] 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.