特厚煤層綜放工作面頂煤運移規律研究

默建濤

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

1 工程概況

龐龐塔礦9-101工作面位于9#煤一采區，采區地面標高為+1153～1313m，工作面標高為+730～851m，工作面主采9#煤層，煤層均厚11.8m。工作面呈一單斜構造，傾向為東西向，走向為南北向，煤層傾角12～36°，平均24°。煤層直接頂為泥質灰巖，基本頂為砂質泥巖，直接底為泥巖，均厚1.5m，基本底為細粒砂巖，均厚2m。工作面總體呈較平緩的單斜構造形態，局部波狀起伏，工作面采用綜采放頂煤走向長壁采煤法，設計采高為3.2m，采放比為1:2.69。

2 頂煤破壞與運移機理分析

煤層埋深、煤體自身硬度、煤層夾矸情況、采動應力大小、支架阻力以及放煤步距等都是影響頂煤破壞、運移的因素，主要分析頂煤在工作面超前支承壓力以及液壓支架影響下的破壞和運移規律。

2.1 超前支承壓力對頂煤運移的影響

頂煤中宏觀裂隙的發展情況，決定綜放工作面頂煤能否順利放出。放煤口上方的頂煤只要能夠和上部以及周圍的煤體有著力的作用，就不會有特別明顯的以至于導致頂煤不穩定的宏觀裂隙產生，仍會與其他部分的煤體保持為一個完全體，因此不會發生頂煤煤體破壞而表現出散體現象。所以可以把頂煤運移過程看成為從破壞前煤體所表現的完整狀態到破壞后煤體所表現的散體狀態的變化過程（如圖1所示），這種變化過程包含了頂煤內原生與次生裂隙發育擴展到裂隙相互連通而導致煤體力學性質發生變化的過程，到最后發生煤體破壞，表現為散體狀態。隨著工作面的不斷推進，由上覆頂板在采空區的下沉所產生的彎矩勢能作用在煤體上，也就是所謂的超前支承壓力作用，在超前支承壓力作用較為嚴重的地方，頂煤內原生裂隙會不斷發育，次生裂隙急劇增加，這種變化會不斷擴大，最后產生位移和破壞。綜放工作面頂煤的破壞，實際上是一個頂煤裂隙擴展貫通，微觀損傷不斷發展，進而產生宏觀運移與破斷的過程[1]。

圖1 綜放工作面頂煤破壞區域分析圖

2.2 液壓支架對頂煤運移的影響

（1）支架阻力的影響

在綜放工作面推進過程中，在采煤機進刀割煤后液壓支架前移來支撐頂煤，這個過程中綜放工作面頂煤受到支架反復且頻繁的支撐作用，頂煤在上覆巖層動載作用下所形成的原生裂隙在支架的頻繁支撐作用下不斷發育擴展，最后充分破碎。合理選擇支架的工作阻力以及初撐力，既能保持工作面頂板的穩定性，又能有利于頂煤的破碎。如果設定的支架初撐力較小，由于自重的作用，與支架所接觸的煤體作用在支架上，其內部裂隙會進一步擴展，此刻若頂煤煤體重力所產生的作用力大于支架的工作阻力，則會發生頂煤在垂直以及水平方向上的運移，進而使頂板發生離層。雖然這樣會使頂煤放出時比較容易，但會出現另一個更為嚴重的情況，頂板下沉、冒頂事故發生的概率增大，使工作面不能夠穩定且安全地進行生產。

為了能夠設定支架合理的初撐力以及工作阻力，在9-101綜放工作面進行設定支架不同初撐力以及工作阻力的情況下工作面煤壁附近冒頂狀況的實測，如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可知，在綜放回采工作面，液壓支架的初撐力以及工作阻力設置的過大與過小都會造成工作面頂煤冒落高度與冒落次數的增加。在9-101綜放工作面，支護強度在6860～7500kN范圍內所達到的效果最好。

圖2 不同初撐力及工作阻力下工作面冒頂高度

圖3 不同初撐力及工作阻力下工作面冒頂次數

（2）支架掩護梁角度與頂梁長度的影響

在一定條件以及同樣的推進距離情況下，改變綜放工作面支架頂梁的長度，會使支架的移動次數發生改變。因為支架移動次數的增加，增大了綜放工作面頂煤源自支架來回的支護作用，如果加大支架的頂梁長度，保持支架的其他條件不變，這樣可以使得支架后端的支撐強度在彎矩的作用下大于支架前端，促使液壓支架后面的頂煤得到充分破碎，使頂煤的放出更加順利。綜放工作面支架的保護梁角度對頂煤的垮落角度與支架保護梁的受力狀態有一定程度的相關性，因此頂煤的運動狀態也會受到相應影響。

2.3 頂煤變形破壞過程分析

綜放工作面在常速回采過程中，工作面頂煤內部從原有裂隙擴張再到破壞，最后從支架頂部后方順利放出，需要經歷一個在一定范圍內的過程變化[2]。在工作面推進過程中，首先會發生塑性變形的過程，頂煤內部原有的水平裂隙在受初始采動作用影響下，受上覆巖層動載作用發生壓縮閉合，從而促使頂煤在垂直方向上發生變形。隨著綜放工作面繼續回采，工作面前方的超前支承壓力的范圍以及峰值隨之增大，頂煤在垂直方向上產生了次生裂隙，逐漸發生塑性變形。在這個過程中，頂煤與頂板之間以及自身內部中都沒有發生離層現象。在工作面前方5～30m范圍內，也就是超前支承壓力影響最為劇烈的區域[3]，頂煤開始發生劇烈破壞，在這個過程中，頂煤在水平方向的變形不斷增大，導致頂煤內部裂隙在原有的基礎上進一步擴展、發育。最后就是上覆頂板與支架對頂煤的作用過程，采空區上部的直接頂板在工作面回采到一定距離后發生垮落，根據懸臂梁原理[4]，所產生的作用力作用在頂煤上，由于支架后方采空區一側對頂煤沒有了約束作用，導致頂煤向支架后方的水平移動速率與移近量增加，垂直于水平裂隙得以充分擴展，部分頂煤破碎變成散體狀態，順利放出。在頂煤厚度較厚的地方，會導致下部頂煤破壞程度不夠，以至于不能夠順利放出，此時就需要支架進行反復移動支撐，使頂煤能夠充分破碎，從而順利放出。

3 頂煤運移實測

（1）觀測方法

運用深基孔位移監測法對本次所要研究的頂煤運移進行實測。在9-101工作面回采巷道內，在不同層位的頂板與頂煤中布置深基點鉆孔，并且植入附著細鋼絲的逆止爪，這樣就可以跟蹤當天不同位置所產生的位移和。

（2）測點布置

布置的鉆孔直徑為65mm，并在回采巷道超前回采工作面100m處進行測點布置，布置測站數為3，測站彼此間距離為5m。每組測站需要布置6個鉆孔，底板與孔口之間設置的距離分別為2.5m、1.8m和1.5m。觀測孔布置方式如圖4所示。

圖4 觀測孔布置方式圖

（3）觀測結果

其中一組測站的測點鉆孔監測的位移曲線圖如圖5所示。

圖5 位移曲線圖

由圖5可以得出，監測基點在第一組顯示距離工作面34m處，頂煤位移量開始增加，監測基點在第二組顯示距離工作面36m處，頂煤位移量開始增加。兩組測點顯示的頂板位移量都是在距離工作面25m內變化最為劇烈，在25～30m范圍內較為平緩，35m后比較穩定。

4 結論

（1）綜放工作面在超前支承壓力下，頂煤中原有的裂隙不斷擴展發育，次生裂隙不斷增加，并在水平方向上位移增大。在工作面超前支承壓力的作用范圍內，將頂煤劃分為彈性完整區、裂隙擴展發育區、散體區。

（2）工作面支架設置的初撐力與工作阻力太大或太小都會增加工作面冒頂次數，合理的設置支架初撐力與工作阻力以及支架的頂梁長度與移動頻率，能夠確保頂板穩定的同時，頂煤能夠順利放出。

（3）通過對9-101工作面回采巷道進行實測，可知與工作面煤壁距離越是接近，測點所顯示的位移值越大，其中在距離工作面煤壁5m范圍內最大。