厚表土層薄基巖條件下大采高綜采工作面漏頂機理分析

郭亞楠

(山西省霍州煤電集團呂臨能化有限公司， 山西 呂梁 033200)

1 前言

大采高綜采技術是指對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展方向，近十年來大采高綜采工藝有了長足的發展[1]。但是現場實踐表明，對于開采厚表土層薄基巖淺埋煤層過程中，采用大采高綜采工藝，工作面煤壁及頂板控制難度大，礦壓顯現強烈，容易造成工作面頂板破碎。本文通過對某煤礦西翼采區2101煤層大采高工作面的礦壓觀測，結合上位基本頂大結構破斷分析，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理。

2101工作面是某礦西翼首采區首采工作面，首采2- 1煤層，煤層賦存穩定，無自燃特性。2101工作面的煤層平均厚度約為5.2m，處于初設回采上限-350m以下。工作面采用大采高綜采工藝，工作面長度約200m，走向長度約為1 500m，煤層傾角平均為8°，是一個近水平工作面。工作面基本支架型號為ZY10800/30/65，共120個支架。工作面直接頂為砂質泥巖，厚度1.4～7.6m，平均4.2m。在回風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。通過實驗室巖石力學實驗得出細砂巖的單軸抗壓強度為45MPa，中細砂巖的抗壓強度為41MPa，而且巖層裂隙較發育。

表1 2101工作面與回風巷道交匯處鉆孔巖性表

2 2101工作面頂板漏頂現象實測

通過對2101工作面采場礦壓觀測，工作面初次來壓歩距約為30.8m。自工作面開切眼回采至70m時，工作面回采較順利，在此期間，工作面周期來壓平均步距約為15.2m。由于整個回采初期機頭的推進速度要快于機尾，導致頂板來壓不同于一般工作面。根據現場實測：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共經歷了3次較大范圍的漏頂，嚴重影響了工作面的安全生產，尤其是工作面回采至89m時，工作面支架53～69#架段發生漏頂，頂板破碎，發生漏頂，超前漏頂范圍約1m，而且漏頂期間煤壁片幫嚴重，支架壓力峰值平均在44MPa,且伴隨有液壓支架安全閥的開啟，安全閥開啟時甚至呈現霧狀，說明液壓支架工作阻力較大，遠大于液壓支架安全閥的開啟值。回風巷道的頂底移近量大，超前煤壁2m處的巷道嚴重變形，頂板下沉量大。工作面頂板漏頂現象如圖1所示。

圖1 工作面頂板漏頂素描

3 工作面漏頂機理分析

結合工作面礦壓顯現情況及1號鉆孔巖性柱狀表，建立相應的頂板破斷垮落結構的模型，具體情況如圖2所示。

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

圖2 工作面頂板破斷垮落結構

根據“砌體梁”理論，隨著工作面推進，上位基本頂巖梁懸漏長度進一步加大，當上位基本頂巖梁強度達到極限值時，上位基本頂產生產生O—X破斷，破斷巖塊相互擠壓產生摩擦力，形成三鉸拱式平衡。從上位基本頂斷裂過程及斷裂狀態的分析可知，上位基本頂破裂位置發生在頂梁的中部位置[2]，上位基本頂破斷前后的結構如圖3所示。

圖3 上位基本頂斷裂前后結構

對于圖3a，根據材料力學兩端固支梁受力分析，梁內任意點的正應力σ為

(1)

式中：M——該點所在斷面的彎矩；

h——固支梁度；

(2)

當σmax=RT時，即巖層在該處的正應力達到該處的抗拉強度極限，巖層將在該處拉裂。因此，這種梁斷裂時的極限跨距為

(3)

h=8.1m，由表1可知，其單軸抗壓強度約為45MPa，RT一般取單軸抗壓強度的1/10～1/12，此處取4MPa，q取145kPa，代入式(3)中，計算求得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，即頂梁EGFH一分為二，每段梁的長度為29.9m將向下回轉，根據現場礦壓顯現特征可知，靠近工作面一側的O1O2HF梁回轉時，會造成下部巖層回轉甚至整體切落，JMKI巖塊整體切落，且巖塊下端是位于煤壁前方，此時作用在煤壁前方頂板巖層巖塊上的載荷較大，因而會引起采場來壓顯現的增強。通過實驗室力學分析看出，頂板巖層裂隙發育，巖體結構性差，造成巖體的總體強度較低，且煤層頂板巖層多為泥巖，強度較低，脆性大，此時作用在煤壁前方頂板巖層巖塊上的載荷較大時，會造成煤壁前方頂板巖層的破碎。

4 工作面頂板漏頂的一些應對措施及效果

(1)強制性放頂：在回風巷道對工作面煤層上方30～40m實行強制性放頂，減少工作面來壓步距[3]。

(2)架棚支護頂板：自69#支架開始向下架棚至53#支架處理該段漏頂區域，架棚后補打錨索進行加固；

(3)化學材料加固：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加固材料加固[4]。

(4)超前預注漿“人造假頂”:垂直巷幫向工作面機頭方向先間隔1m施工50m長鉆孔注水泥漿加固，后在兩長鉆孔之間補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)。

效果評價：通過對工作面煤層上方30～40m實行強制性放頂以及對煤層頂板“人造假頂”的措施后，至目前工作面均正常回采，未再發生片幫漏頂現象。

5 結論

(1)對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，工作面頂板控制難度大，礦壓顯現強烈，容易造成工作面頂板破碎，造成工作面漏頂。

(2)上覆巖層大結構拉伸破斷，作用在下面巖層巖塊上的載荷較大，下面巖塊容易出現滑落失穩，在滑落失穩過程中，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度較低，脆性大，這也解釋了煤層頂板破碎的原因。

(3)現場實踐表明：工作面漏頂后，對頂板進行強制放頂、架棚支護頂板、化學材料加固、超前預注漿“人造假頂等措施進行頂板控制，能夠有效的緩解片幫漏頂現象。