大傾角復合頂板失穩機理及控制研究

呂玉磊 白俊杰 石義恒

（1.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116；2.中煤西北能源公司烏審旗蒙大礦業，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

新集二礦工作面具有傾角大、采高大、復合頂板易離層垮落及煤體松散等特點，工作面推采過程中出現大面積片幫冒頂，片幫深度8 m 左右，冒頂高度10 m 左右。因此需要對大傾角復合頂板制定針對性控制措施，防止發生頂板事故[1-5]。根據大傾角工作面頂板及圍巖穩定性處理經驗[6-7]，傳統處理空頂區的方法勞動強度高，工作量大，施工速度慢，并且部分頂板與圍巖控制技術在礦井中使用受限制。因此，提出了大傾角復合頂板控制措施，以求保障大傾角復合頂板工作面安全快速回采。

1 復合頂板垮斷特征及力學分析

新集二礦大傾角復合頂板工作面屬于松軟煤層工作面，煤層平均傾角35°，平均厚度3.6 m。在工作面生產過程中出現片幫和漏頂現象，工作面傾斜方向不同部位支護系統的穩定性差異較大，頂板大面積抽冒等問題已經嚴重制約了安全高效開采。

1.1 復合頂板破斷與垮落特征

通過對比近水平單層堅硬頂板和復合頂板的垮落特征（如圖1）發現：相較于堅硬頂板，煤矸復合頂板下工作面頂板的初次破斷較小，采空區兩側巖層的垮落角也較大，頂板懸露距離較小。單層堅硬頂板的破斷垮落特征已無法充分指導復合頂板工作面安全生產，需對復合頂板的破斷規律、機理進行分析。

圖1 頂板破斷特征對比（m）

由煤線、泥巖等巖層組成的復合頂板具有垮落塊度小、易于破碎的特征，在大傾角賦存條件下，造成工作面傾斜方向應力和位移非對稱性更強。

1.2 復合巖梁頂板受力分析

根據復合頂板的概念，建立大傾角工作面復合巖梁頂板力學模型，如圖2、圖3 所示。假設各巖層均為連續體且各向同性，層間沒有摩擦力且屬于平面應變模型。復合巖梁的受力分析是在對單一均值巖梁受力分析的拓展，復合頂板破壞多為拉破壞，因而著重分析最大拉應力對復合巖梁的破壞，以此進一步分析大傾角工作面復合巖梁頂板的破壞特征。

圖2 復合巖梁頂板受力模型

圖3 復合巖梁所受載荷分析

復合巖梁抗彎截面模量為：

復合巖梁中的應力為：

式中：k為復合巖梁分層系數。根據材料力學相關知識可知：

在撓曲變形過程中，復合巖層具有相同的變形曲率，即：

式中：ρ為復合巖梁的曲率半徑；M1、M2、M3、M4分別表示各巖層的彎矩；E1、E2、E3、E4分別表示復合巖層的彈性模量；I1、I2、I3、I4分別表示復合巖層的慣性矩。

復合頂板巖梁的彎矩之和為：

聯立式（2）～（5）可得：

復合巖梁在垂直載荷作用下各巖層下側的最大拉應力為：

復合頂板發生撓曲變形時，除復合巖梁垂直載荷作用外，還受軸向載荷作用，則復合巖梁軸向應力為：

則復合頂板疊加巖梁在垂直載荷和軸向載荷共同作用下的應力分布為：

由式（9）可知，復合疊加巖梁在地應力作用下各巖層表現出不同的應力集中現象與變形破壞，復合疊加巖梁在垂直載荷和軸向載荷作用下產生拉應力，并發生撓曲變形，特別是在軸向應力作用下加劇了復合頂板撓曲變形破壞。

當[σimax]≥[σ]時，表示大傾角工作面復合巖層的最大拉應力超過了其巖層的容許應力，復合頂板發生失穩破壞；反之，當[σimax]＜[σ]時，大傾角工作面復合頂板穩定。

通過對復合頂板巖梁受力分析可知：（1）大傾角工作面復合頂板巖層的應力隨彈性模量的增大而增大，隨工作面長度的增大而增大，隨復合頂板分層厚度增大而減小，隨煤層傾角的增大而減小。

（2）當大傾角工作面復合頂板厚度一定時，分層數越多復合頂板抗彎截面模量以及慣性矩越小，最大拉應力越大，從而導致復合頂板在較低的應力作用下會發生失穩破壞；（3）大傾角工作面復合頂板各巖層的差異性大，在垂直應力和軸向應力作用下，軟弱夾層更容易發生破壞。

在地質賦存條件不可變的情況下，為保證工作面開采過程中復合頂板的穩定性，可采用注漿加固的方法提高頂板分層的彈性模量、降低工作面長度和降低工作面傾斜程度（偽斜布置）等方法來提高頂板的穩定性。

2 工作面復合頂板破斷冒落災變過程演變

2.1 工作面頂板漏冒機理

工作面復合頂板巖性松散，膠結性差，但直接頂賦存相對完整，硬度相對較大，從而增加了頂板控制的難度。掘進工作面頂板施工冒頂過程如圖4。

圖4 工作面開采推進中冒頂過程示意圖

在回采過程中，工作面頂板支承壓力隨著周期來壓的出現顯著增大，工作面直接頂在懸頂距離增加的同時受支架的強力支撐作用在支架上方采空區側斷裂，如圖4（a）；隨著工作面的推進，懸頂狀態的基本頂壓力全部作用在直接頂上，完整的復合頂板在上覆巖層的作用下被擠壓破碎，如圖4（b）；隨著基本頂控頂距不斷增加，應力也隨之增大，達到最大控頂距后斷裂坍塌，復合頂板因壓力過大而全部破碎，此時容易導致作業空間漏頂，如圖4（c）。此時，如控制不及時，在復合頂板相對較厚的區域，容易導致大面積漏面事故發生。

2.2 冒頂主要影響因素分析

（1）煤層傾角。工作面開采時，由于大傾角和重力作用，破碎的復合頂板在推移架過程中向工作面下部滑動，有增大發生大頂板事故的風險。

（2）地質賦存條件。斷層構造受地層的橫向擠壓超過地層的承受力，沿滑動面產生相對位移，在滑動的過程中形成一個大范圍的破碎帶。當工作面揭露斷層時容易發生煤壁片幫，甚至大面積冒頂。

（3）生產管理水平。在大傾角復合頂板煤層開采過程中，若生產管理不嚴格，可能導致煤矸石泄漏，若不及時采取控制措施，落矸將會擊碎煤壁，形成流矸通道，造成頂板頂部和采區側的煤矸石從前梁處不斷坍塌，增加生產作業危險性。

3 工作面頂板穩定控制方法

3.1 正?；夭蓵r頂板控制方法

工作面回采期間采用全部垮落法管理頂板，采空區頂板隨支架前移自行垮落充填采空區，工作面最大控頂距5175 mm，工作面最小控頂距4375 mm，移架步距800 mm，如圖5。

圖5 工作面平面布置圖（mm）

（1）為確保回采期間煤壁和頂板完整，工作面回采過程中在工作面回風巷、運輸巷施工煤層鉆孔，利用鉆孔向煤體注漿，提高煤壁及頂板完整性。

（2）工作面割煤時，及時“帶壓擦頂”移架支護頂板，并及時打開護幫板抵住煤幫，護幫板打開滯后采煤機后滾筒不得超過15 m。

（3）當工作面因初次（周期）來壓、頂板破碎影響推進速度時，必須及時超前拉架或提前伸出支架前探梁、護幫板管理頂板，確保割煤期間頂板完好。

（4）移架時，液壓支架工嚴格按操作規程操作。移架結束后，要持續供液3～5 s，保證支架初撐力不低于24 MPa。

（5）保證兩巷超前支護的單體托棚（鉸接頂梁）液壓單體初撐力，確保支柱、頂梁完好，失修、失效的支柱、頂梁要及時進行更換。

3.2 特殊時期頂板管理與控制方法

（1）工作面來壓及末采期間頂板控制

① 初次來壓結束前及周期來壓期間，如工作面上、下隅角壓力顯現明顯時必須增打密集單體支柱（即在切頂線處施工切頂單體加強支護，切頂單體間距1.0 m），對漏液、失效液壓單體及時補壓或更換。密集支護單體隨回采前移，直到來壓結束。

② 因初次（周期）來壓、巷道變形破壞等原因，工作面兩巷超前壓力顯現較大時，要及時在受采動影響區域增加超前支護單體密度，或增打單體托棚（鉸接頂梁）加強支護強度。

③ 工作面推進至距停采線20 m 時，開始逐步降低采高，距停采線12 m 時將采高降至3.0 m 以下，并加強工作面頂板管理，確保頂板條件良好。

（2）工作面受地質構造區影響區域頂板控制

① 工作面過斷層時，根據斷層落差等產狀要素和煤層起伏變化情況調整回采層位，對過渡區域頂板采取提前破頂措施，保證支架對頂板的支護效果。

② 根據工作面破巖程度控制采高，當工作面破矸較多或煤層較薄需破底時，將采高降至3.0 m以下。

③ 工作面頂板破碎時，必須及時帶壓超前擦頂移架支護頂板，保持支架頂梁與頂板接觸良好。

④ 移架時確保相鄰支架保持錯茬不大于頂梁側護板高度的2/3，支架處于不擠不咬不倒的良好狀態，并保證支架初撐力達到24 MPa。

⑤ 若工作面出現超前嚴重片幫、冒頂危險時，應及時降低工作面采高，并采取超前煤壁架棚措施保證頂板安全。

4 結論

根據大傾角賦存條件，在分析了復合頂板垮斷特征和研究了災變過程基礎上，提出了頂板穩定控制方法，保障了大傾角復合頂板工作面的安全開采。