大傾角厚煤層錯層位巷道布置支架穩定性控制技術

毛金峰，王 鵬,2，楊長德，李金波

（1.新疆工程學院 礦業工程與地質學院，新疆 烏魯木齊830091；2.中國礦業大學（北京）能源與礦業學院，北京100083）

新疆大傾角厚煤層分布廣泛，3.5～8 m 厚、35°～50°傾角煤層約占新疆大傾角煤田儲量的40%以上，主要集中在烏魯木齊、阜康、溫宿和拜城等礦區，目前涉及礦井在66 對以上[1]。隨著新疆大傾角煤層的開采強度的不斷增大，支架下滑、傾倒等問題較為普遍，解決大傾角煤層開采中支架下滑等問題，對實現大傾角煤層安全高效開采具有重要的意義。近20 年以來，許多學者對大傾角煤層工作面安全防護理論與體系從多角度進行了系統的研究，伍永平[2-4]認為大傾角煤層頂板運動是影響“R-S-F”系統穩定的主導因素。解盤石等[5]認為高位梯階巖層破壞對支架的穩定性有明顯影響。王國法等[6]提出了液壓支架傾覆力矩平衡的三維支護原理，得到了大傾角工作面液壓支架保持穩定的基本條件，楊科等[7]提出了鋪金屬網帶壓擦頂追機移架防治支架失穩的方法。贠東風[8]、楊偉[9]、趙麒麟等[10]、李文樹[11]等采用了偽斜工作面布置解決大傾角煤層設備下滑及支架傾倒等問題。以上學者以傳統工作面巷道布置方式，即工作面兩巷沿煤層底板布置為研究基礎，從支架自身及頂板對支架穩定性的影響等方面做了大量的研究工作，對指導現場實踐具有一定意義，但并未考慮通過優化巷道布置方式解決支架下滑問題。“厚煤層錯層位巷道布置采全厚采煤法”是趙景禮1998 年以近水平厚煤層為模型提出的1 種采煤方法[12-13]，在華豐礦[14]的應用解決了沿空巷道沖擊地壓問題，在王家山礦[15]、唐山礦[16]的應用解決了大傾角煤層設備下滑問題，但是只闡述了起坡段對支架穩定性的影響，并未給出工作面傾角與支架失穩下滑關系的必要條件。錯層位巷道布置在新疆尚未有應用案例，以新疆蘇杭河礦為例，應用錯層位巷道布置分析起坡段支架受力特征，研究支架失穩下滑的必要條件，并結合現場應用為新疆大傾角煤層安全科學開采提供一定的理論和實踐依據。

1 工程概況及開采技術難題

Ⅳ14煤層是蘇杭河礦的主采煤層，煤層傾角為32°～41°，平均36°，煤層厚度一般在5.23～5.49 m，平均厚度5.4 m。煤的硬度（上部硬，下部軟，中間有300～400 mm 的泥巖夾矸）為：上部f=2～2.5，下部f≈1。地質結構相對簡單，單斜構造，產狀穩定的特點。蘇杭河礦為解決大傾角工作面設備下滑問題，前期采用了偽仰斜工作面布置方式。

運輸巷和回風巷采用傳統巷道布置方式，沿煤層底板布置，工作面下部超前工作面上部10.8 m 推進，設備下滑控制效果甚微，且在開采過程中遇到以下技術難題：

1）支架與煤壁鋸齒狀接觸，護幫板與煤壁接觸不充分，夾層下部煤層偏軟，煤壁片幫。

2）工作面雙巷沿煤層底板布置，煤層下部堅固性系數f≈1，煤質軟，且巷道上方為軟弱煤體，受工作面開采擾動影響，巷道易變形且維護困難大。

3）生產過程中煤（矸）沿工作面向下滾落，易造成人員傷亡和設備損害。

偽仰斜工作面巷道布置如圖1。

圖1 偽仰斜工作面巷道布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of roadway layout of pseudo-oblique working face

2 大傾角厚煤層錯層位巷道布置關鍵技術

2.1 工作面設計

為解決蘇杭河礦大傾角Ⅳ14厚煤層24201 工作面設備下滑、飛矸等問題，經過技術論證，改用錯層位巷道布置綜放開采技術。沿煤層頂板布置半煤巖運輸平巷，沿煤層底板掘進回風平巷，大傾角錯層位巷道布置如圖2。

圖2 大傾角錯層位巷道布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of roadway layout with large dip angle

錯層位巷道布置方式中一顯著特點是工作面存在一起坡段，根據工作面實際條件，在起坡段可以逐漸減小液壓支架及刮板輸送機傾斜角度，甚至擺平，起坡段示意圖如圖3。

圖3 起坡段示意圖Fig.3 Schematic diagram of slope-starting section

2.2 起坡段設計及對設備防滑作用

工作面起坡段通過設備擺平可以增大支架與頂底板間摩擦力，增大刮板輸送機與底板間摩擦力，同時降低設備沿工作面傾斜方向的重力分量，從而通過起坡段設備增大對中上部設備的反作用力，起到降低工作面設備下滑及防倒的作用，建立起坡段支架穩定性力學模型[17]，支架受力分析如圖4。

圖4 支架力學模型Fig.4 Mechanical model of support

以單個支架為例，支架自身重力G，支架頂梁受均布載荷q，相鄰支架反作用力Fu、Fd，支架受頂底板摩擦力其受到的摩擦力為F1、F2，B 為支架寬度，θ為起坡段傾角，支架受力處于平衡狀態，滿足下列關系表達式。

當支架接頂后可保持自身穩定，假設不受Fu、Fd作用，簡化式（1）可得工作面傾角與支架穩定不下滑的必要條件，如式（2）：

式（2）中，在支架頂梁受力q 不變的情況下，G、f、B、θ 為常量，θ 為唯一變量，滿足線性關系。實際開采過程中24201 工作面從半煤巖運輸平巷開始逐漸起坡，每節刮板輸送機和液壓支架抬升3°，直至第11 架沿煤層底板抬升至36°，f 取值0.5，得到的支架下滑趨勢如圖5。當采用傳統巷道布置方式時，工作面傾角36°，支架下滑趨勢大。當采用錯層位巷道布置時，隨著起坡段角度θ 逐漸減小，支架下滑趨勢呈遞減趨勢，支架穩定性增大。

另外，從式（2）可以發現，支架下滑穩定性還與q 相關，支架不同工作狀態q 大小不同，但q 越大，支架穩定性越高，而q 最小時，為支架易下滑狀態，因此，支架卸壓移架時q 最小，支架最易下滑，因此，現場可采取支架帶壓擦頂移架的方式，同時，移架后保證初撐力，可有效增強支架穩定性。

圖5 支架下滑趨勢示意圖Fig.5 Schematic diagram of support sliding trend

2.3 工作面設備防倒防滑措施

通過優化工作面巷道布置位置，將工作面下部逐漸變平，很大程度的解決了工作面設備下滑問題。在此基礎上，為了進一步滿足安全生產，對支架采取防倒防滑措施，上端頭液壓支架防倒連接如圖5，上端頭液壓支架防滑連接如圖6。

圖5 上端頭液壓支架防滑連接Fig.5 Reverse connection of upper end hydraulic support

圖6 上端頭液壓支架防滑連接Fig.6 Non-slip connection of upper end hydraulic support

3 采場礦壓顯現規律數值模擬分析

3.1 模型建立

為了分析大傾角煤層錯層位巷道布置工作面的礦壓顯現規律，采用FLAC3D進行數值模擬研究。數值模擬的準確性取決于模型建立、本構模型選擇和巖體參數選取等。因此，采用ANSYS 內置建模建立模型，建模采用隨機網格，避免網格生成人為設定的影響，模型尺寸為240 m（長）×100 m（寬）×160 m（高）。模型上方按至地表巖體的自重施加垂直方向的荷載，265 m×0.025 MN/m3=6.63 MPa 豎直向下的壓力加載于模型頂部模擬未建覆巖重量。模型底部約束橫向和縱向位移，前后左右約束橫向位移。模擬工作面長150 m，推進長度100 m。煤巖物理力學參數見表1。

表1 巖層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata

3.2 模擬結果

工作面應力分布與塑性區如圖7。圖7（a）顯示大傾角煤層開采過程中，頂底板中出現應力釋放帶，采空區兩側實體煤層中出現深藍色應力集中帶，下端頭煤壁應力集中范圍大于上端頭煤壁。沿工作面傾斜方向，煤層上方巖層出現明顯的非對稱應力釋放區，中上部區域應力釋放范圍大于下部，下部區域頂板應力向壓應力轉變。結合相關研究[5]，應力釋放區實際是由巖層破斷處產生，對應圖7（b）中巖層垮落線，垮落線下方巖層表現為大范圍的拉伸破壞，證明垮落帶上方巖層沿垮落線方向發生拉伸斷裂，且垮落帶呈現明顯的不對稱性，垮落范圍上部＞中部＞下部；對應圖7（a）可發現相應在巖層垮落線邊緣附近產生低應力區。

圖7 工作面應力分布與塑性區Fig.7 Stress distribution and plastic zone of working face

4 支架適應性

4.1 工作面支架監測方案

為了準確掌握大傾角厚煤層錯層位巷道布置綜放工作面支架受力情況及運行狀態，沿傾斜方向布置3 個測區，測區Ⅰ（起坡段）以6#、7#、8#為觀測支架；測區Ⅱ為40#、41#、42#支架；測區Ⅲ為65#、66#支架，工作面礦壓觀測液壓支架測點布置如圖8。

圖8 工作面礦壓觀測液壓支架測點布置示意圖Fig.8 Schematic diagram of measuring points arrangement of hydraulic support for mine pressure observation on working face

4.2 工作面來壓規律

工作面支架設計初撐力為24 MPa，截止2017年11 月15 日，工作面已平均推進159.6 m。工作面不同回采階段初撐力監測結果如圖9。

圖9 40#支架初撐力與循環數關系Fig.9 Relationship between initial support and number of cycles

由圖9 可知，初撐力46%達到24 MPa，設計初撐力利用率低。根據式（2）單個支架穩定性條件可知，初撐力直接關系到大傾角工作面支架的穩定性，因此，為保證工作面的安全生產，現場應加強支架初撐力的管理。

對工作面支架末阻力監測，分析初次來壓階段、周期來壓階段礦壓顯現特征工作面頂板來壓規律見表2。

由表2 可知，工作面初次來壓階段，工作面上、中、下部來壓步距明顯不同且來壓強度也有差異，上部、中部、下部來壓步距分別29.4、34.7、40.2 m，具有分段來壓的特點，按照上部基本頂首先破斷，然后中部，最后下部破斷的順序，呈現明顯的非對稱性。上、中、下部來壓強度不同，基本呈現中部＞上部＞下部的特點。隨著工作面推進，周期來壓階段，工作面上、中、下部來壓步距分別14.2、16.1、15.3 m，同樣呈現非對稱性，但相較于初次來壓步距，周期來壓步距非對稱性不明顯。工作面來壓期間的動載系數整體呈現中部＞上部＞下部的特征，且工作面中部來壓最強烈，動載系數為1.66，ZQY6000-19/42 型支架能夠滿足頂板控制的要求，滿足安全生產的需要。

表2 工作面頂板來壓規律Table 2 Pressure law of working face roof

5 結 論

1）優化了蘇杭河礦大傾角工作面巷道布置方式，采用了錯層位巷道布置綜放開采技術。通過建立單個支架穩定性力學模型，得到了支架穩定性條件，通過起坡段角度的減小和提高初撐力，可提高支架穩定性。分析認為錯層位巷道布置起坡段支架穩定性明顯提高，對控制設備下滑具有重要作用。

2）通過數值模擬分析，大傾角錯層位巷道布置工作面頂板應力釋放區與拉伸破壞區呈非對稱分布，并且拉伸破壞區域垮落線相對應。

3）現場礦壓監測顯示，工作面初次來壓和周期來壓步距都呈現非對稱性，但初次來壓更明顯。工作面中部礦壓顯現最強烈，動載系數1.66，上部次之，下部相對平緩。