大傾角綜采工作面冒頂機理分析及支護設計

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場實際數理分析相結合的方法，淺析大傾角堅硬頂板綜采工作面冒頂機理；通過冒頂區域的設計方案是在工作面以外10m處新開設排矸巷，按照邊排矸邊支護邊穿頂的方式支護冒頂區域，然后打設單體支柱護頂，保證正常推采后按照仰斜開采的方式，實現了工作面快速通過冒頂區域及安全回采。

關鍵詞：大傾角；冒頂；機理分析；支護設計

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°，工作面內地質條件較復雜。2016年7月下旬，1905S工作面從30#向溜尾方向發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.煤層頂底板特性及礦壓參數

根據相近工作面及本工作面實測，1905S工作面直接頂為灰巖及砂巖，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計18m。工作面采用走向長壁綜合機械化采煤法，根據頂板特性，采用ZY9000/24/50支撐掩護式液壓支架支護頂板，采空區處理方法為全部垮落法充填采空區。

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定的狀態。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下沉運動甚至繼續冒落，從而使冒落帶、裂隙帶的高度比采面下部更大些。當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構進行結構假設，并進行力學分析，對大傾角煤層進行了相似材料模擬。大傾角條件下，裂隙塊體結構的頂板在傾向均形成圖3的結構，板塊間咬合形成三角拱結構。對于仰偽斜開采，屬采面控頂范圍內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較緩和，同時由于頂板處于斜立狀態，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，限制轉動過程中點接觸。

3.2.2 現場實測

通過對1905S工作面開采近兩個月的支架初撐力、頂板下沉量、來壓顯現程度、來壓步距等數據分析得出以下結論：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工作面冒頂區域現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，頂板巖層在采空區后方形成了沿采面傾斜上中下位置處不同的力學結構。中、下段處的直接頂巖層有可能構成“砌體拱”的小結構，并直接影響采面該位置處的礦壓顯現規律。上覆巖層“大結構”易于平衡，但下部直接頂“小結構”則易于失穩。小結構失穩將引起“大結構”基礎的擾動，這種擾動將引起采場支架與圍巖關系在一定程度和范圍內調整，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”的結構。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”屬處于上部關鍵巖層的“砌體梁或板”大結構保護之下的小結構。此小結構既要受大結構運動規律的影響，也受自身巖性的作用。它的失穩對采面支架載荷呈一定的動載影響，并直接導致大面積冒頂事故。

3.3 其他相關原因

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重，支架底調油缸部分損壞。支架初撐力對于控制直接頂的離層、破碎及裂隙的發展是重要的因素，但工作面支架的初撐力往往達不到額定初撐力的要求，使剛暴露的直接頂得不到及時支護，造成直接頂因超前支承壓力產生較多裂隙，進而變成破碎或裂隙發育的頂板，給架前冒頂創造了條件。支架護幫板破損嚴重造成片幫嚴重，底調油缸的損壞大大減弱了支架穩定性和防倒型，無法產生較大的抵抗力來阻止中上部失穩巖體的下滑，造成冒頂事故的發生。

4.工作面冒頂區域支護設計及回采措施

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補回風巷貫通。為對工作面冒頂區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扒裝機排矸，冒落矸石從溜矸道下滑到工作面轉載機，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，冒頂區支護按照邊排矸邊支護邊穿頂的方式進行。冒頂區域隨著矸石的外排逐漸露出頂板，當頂板外露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4.5m單體支柱，支護架前頂板，防止已支護的冒頂區域再次垮落。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。

結語

（1）工作面發生片幫后，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）相似材料模擬及現場實測證明：大傾角條件下，裂隙塊體結構的頂板在傾向均形成咬合的三角拱結構。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，誘導工作面發生片幫、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”異常分布易產生劈裂區，架前頂板產生壓縮變形區。周期來壓后，將使劈裂區及壓縮變形區進一步擴大，并在老頂斷裂處產生拉斷區。當周期來壓步距和強度較大時，將使煤壁劈裂區、架前頂板壓縮變形區和拉斷區連通，形成貫通式拉應力區，引發架前大冒頂。

（4）大傾角綜采工作面支架失穩、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、穩得住。開采堅硬煤層和頂板的支架，應及時移架，盡量減小端面空頂距，及時控制直接頂斷裂和位移。

（5）發生架前大冒頂，應盡量避免搬遷工作面，因搬遷費用高、大冒頂區的圍巖不穩定，威脅設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的方式支護冒頂區域。待排矸和穿頂工作完成后，在工作面支架頂梁前方，打設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生。

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