大傾角偽俯斜工作面下端頭支護阻力研究

摘 要：大傾角走向長壁偽俯斜工作面頂板破斷具有不同于真傾斜工作面的時序性和分區性，其頂板垮落充填特征極大影響了下端頭支護安全性，需要針對下端頭進行支護優化。采用數值計算、物理相似模擬實驗、理論分析等綜合方法，結合多個大傾角偽俯斜工作面實驗與現場經驗，分析了大傾角偽俯斜工作面頂板垮落充填規律和下端頭頂板結構形成特征，建立了下端頭三角板力學模型，提出了端頭支架支護阻力計算公式。結果表明：大傾角偽俯斜工作面頂板垮落、滑移、充填交錯發生，對采空區下部充填具有不均勻性，基本頂破斷呈“U-X-O”動態演化過程，工作面下端頭形成梯階弧形三角板結構，弧形三角板傳遞至端頭支架的載荷呈二次函數曲線分布，得到了下端頭無充填時端頭支架所需工作阻力計算公式。通過棗泉煤礦大傾角綜放開采工程應用，確定了端頭支架最小工作阻力為8 091.866 kN，選取ZTHJ11400/15.5/25型橫式端頭支架，保證了端頭頂板結構的動態穩定，減少了端頭漏冒事故，取得了良好支護效果。關鍵詞：大傾角煤層；下端頭支護；偽俯斜；“U-X-O”破斷；弧形三角板；梯階結構中圖分類號：TD 355

Research on support resistance of head T-junction of pitching oblique working face in steeply dipping seam

WANG Hongwei^1，2，JIANG Baolin²，YAN Zhuangzhuang²，XIE Panshi^1，2，FENG Kun³，LYU Jianhua⁴

（1.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；2.College of Energy Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；3.Shandong Mining Machinery Huaneng Equipment Manufacturing Co.，Ltd.，Weifang 261000，China；4.Tieshannan Coal Mine，Sichuan Chuanmei Huarong Energy Co.，Ltd.，Dazhou 635024，China）

Abstract：The roof fracture of pitching oblique longwall face is different from that of steeply inclined

working face in terms of timing and zoning.and its collapse and filling characteristics greatly affect the safety of head T-junction support，which needs to be optimized.Such methods as numerical simulation，physical similarity simulation experiment，and theoretical analysis are adopted，and based on the multiple experiments and project experience of pitching oblique longwall face，the law of roof collapse and filling and the formation characteristics of the roof structure at head T-junction of pitching oblique longwall face are analyzed.The triangular plate mechanical model of head T-junction is established，and calculation formula of the support resistance of the end support is deduced.The results shows that roof caving，slipping and filling of pitching oblique longwall face occur staggeredly，causing a non-uniform filling of goaf near head T-junction.The “U-X-O” dynamic evolution process of main roof fracture is showed，the stepped arc-triangular plate structure of head T-junction is formed，the load transmitted by the arc-triangular plate to the end support is distributed in a quadratic function curve，and the calculation formula for working resistance of head T-junction with no filling is obtained.Through the application of the fully mechanized caving mining project at Zaoquan coal mine，the minimum working resistance of end support is determined to be 8 091.866 kN，and the ZTHJ11400/15.5/25 type horizontal end support is selected to ensure the dynamic stability of roof structure in head T-junction，and the leakage accident of head T-junction is reduced，and a good supporting effect is achieved.

Key words：steeply dipping seam；head T-junction support；pitching oblique；“U-X-O” fracture；arc-triangular plate；ladder structure

0 引 言

近年來，大傾角煤層開采在理論研究、技術應用與裝備研制方面均取得了長足進步^[1]，實現了特定條件下大傾角煤層走向長壁綜合機械化開采，且隨著裝備和技術的不斷發展，適應綜采技術的煤層傾角上限也不斷提高。但隨著煤層傾角增加，工作面支架受載不均衡且易發生傾倒下滑、煤壁片幫與飛矸頻發等難題凸顯，為了解決上述難題，走向長壁偽俯斜綜采技術應運而生。四川華鎣山廣能集團李子婭南井5135和5120工作面、綠水洞煤礦3212工作面嘗試采用偽俯斜走向長壁綜采方法^[2-5]。重慶松藻煤電公司逢春煤礦S2611工作面成功采用大傾角（急傾斜）薄煤層偽俯斜綜采技術^[6-7]。工作面偽俯斜布置，減小了工作面傾角，有效避免工作面煤壁片幫和“飛矸”災害，降低垮落矸石下滑和非均勻充填程度，提高了工作面支架整體穩定性，提升了工作面產效。

針對大傾角工作面頂板破斷特征及結構變異特征，國內學者做了大量研究。伍永平等根據工作面中部垮落頂板對采空區下部的充填作用和對上部已成空間的“負約束效應”，分析了工作面中下部頂板垮落受限制的非均衡特征，揭示了大傾角煤層走向長壁工作面基本頂“O-X”破斷機理^[8]。王金安等采用彈性力學理論，建立了大傾角采場基本頂四邊固支傾斜彈性薄板力學模型，提出了基本頂“V-Y”型初次斷裂模式^[9]。張益東等建立了大傾角煤層仰（俯）采采場頂板彈性薄板小撓度彎曲力學模型，提出了基本頂“C-Y”型破斷模式，揭示了基本頂初次破斷和周期破斷力學機理^[10]。解盤石等采用物理相似模擬實驗和數值計算方法，分析了大傾角偽俯斜采場頂板運移規律，揭示了具有偽俯斜采場基本頂非對稱“O-X”破斷特征^[11]。以上研究初步揭示了大傾角工作面頂板破斷特征，提出了不同基本頂破斷形式，認為在工作面下端頭形成了“弧形三角板”結構。

大傾角偽俯斜工作面依舊存在諸多難題，特別是下端頭支護穩定性問題，其設備空間關系復雜、空頂面積大、頂板穩定性差的特征極易引發端頭頂板事故。受偽俯斜布置影響，開采過程中沿傾向不同區域頂板垮落的時序性和分區性特性更為復雜^[12-13]，基本頂初次斷裂和周期斷裂結構發生變異，在下端頭頂板形成弧形三角板結構，其動態演化導致端頭頂板控制困難。因此，分析大傾角煤層偽俯斜綜放工作面端頭弧形三角板穩定性，確定合理的端頭支護阻力，對工作面下端頭穩定性控制具有重要作用。

1 偽俯斜采場頂板破斷特征

1.1 直接頂垮落滑移規律

大傾角煤層走向長壁真斜工作面直接頂破壞滑移具有明顯的時序性和分區性。直接頂破壞順序依次為工作面中部區域、上部區域、下部區域。中部區域直接頂破壞產生破碎頂板和矸石，沿工作面滑移充填下部區域采空區，并對下部區域頂板形成支撐。在某些情況下，中部、上部區域直接頂破壞后的破碎頂板和矸石充實了下部區域采空區，導致該區域直接頂不發生垮落。

大傾角走向長壁偽俯斜工作面直接頂破壞滑移特征與真斜采場相比有明顯的不同，受偽斜角影響，工作面液壓支架對垮落直接頂有阻止其下滑的作用力^[14]，結合底板摩擦力，使部分垮落直接頂保持穩定，不發生滑移。如圖1所示，工作面中部直接頂垮落在底板傾斜中部，然后工作面上部直接頂垮落在底板傾斜上部，接著工作面下部低位直接頂垮落在底板傾斜下部^[15]。當工作面繼續向前推進時，隨著支架前移，位于底板傾斜上部的垮落直接頂滑移并壓在底板傾斜中部的垮落直接頂上；當受力失衡時，底板傾斜上、中部的垮落直接頂滑移并充填采空區下部，受充填效應的影響，工作面下部高位直接頂不發生垮落，工作面中、上部直接頂再依次發生垮落滑移。直接頂垮落順序依次為傾斜中部、上部、下部；支架前移后，上部、中部垮落直接頂依次滑移，充填下部區域，形成“充填矸石有效支撐區域”。

1.2 基本頂破斷規律

受偽斜角和充填效應的影響，大傾角偽俯斜采場基本頂破斷時序依次為：采空區后方邊界處首先出現塑性破壞，接著在工作面邊界處出現塑性破壞，接著在采空區上部邊界處出現塑性破壞，采空區下部區域受上部區域頂板垮落后的矸石充填作用，塑性破壞滯后，基本頂形成“U”型破斷。“U”型破斷形成后，破斷裂紋順時針擴展，基本頂先在采空區中部產生破斷，然后在采空區上部產生破斷，最后在采空區下部產生破斷，最終形成“X”型破斷。“X”型破斷產生后，采空區下部邊界處基本頂產生破斷，使“U”型破斷轉化成“O”型破斷，呈現出基本頂“U-X-O”破斷演化特征，如圖2所示，體現出大傾角走向偽俯斜采場基本頂破斷的分區性和時序性。

受頂板垮落矸石非均勻充填約束，基本頂“U-X-O”破斷演化，在工作面下端頭形成弧形三角板結構，該結構滯后垮落區域，導致下端頭處頂板來壓強度小，易形成大面積懸頂，支護問題較為突出。

1.3 下端頭弧形三角板形成特征

大傾角偽俯斜工作面基本頂“U-X-O”破斷后，在工作面端頭處的巖層形成弧形三角板結構。以大傾角綜放工作面為例，弧形三角板結構從下向上依次為頂煤弧形三角板、直接頂弧形三角板和基本頂弧形三角板。

1）頂煤弧形三角板。大傾角綜放工作面端頭區域和過渡區域不放頂煤，以保證此區域支架穩定^[16]。下端頭頂煤可簡化為彈性薄板，根據彈性薄板力學分析，頂煤彈性薄板破斷后形成頂煤弧形三角板^[17-18]，其特征表現為強度低、節理裂隙發育^[19]、尺寸小、弧度大，如圖3所示。完整的頂煤弧形三角板能夠承擔和傳遞上覆巖層載荷，防止矸石冒落造成人員傷亡和設備損毀。

2）直接頂弧形三角板。端頭區域直接頂受工作面煤壁、采區煤柱和未冒放頂煤的支撐，根據彈性力學計算和對兩邊固支矩形板的分析^[20]可得，端頭處直接頂會在頂煤弧形三角板上方形成直接頂弧三角形懸板，如圖4所示，其特征表現為層理發育、易破碎。

3）基本頂弧形三角板。根據彈性力學理論和基本頂“O-X”破斷形態^[21]可知，基本頂周期破斷后在端頭區域形成弧形三角板，其特征表現為強度大、厚度大、尺寸大、弧度小。

在空間尺度上，弧形三角板尺寸由下至上依次增大，在端頭上方形成了沿傾向和走向的梯階弧形三角板結構，如圖5所示。圖5中a、c、e分別是頂煤、直接頂、基本頂弧形三角板平行于工作面的邊長，b，d，f分別為頂煤、直接頂、基本頂弧形三角板平行于巷道的邊長；h₁，h₂，h₃分別為頂煤、直接頂、基本頂厚度。上、下端頭弧形三角板梯階結構和工作面中部頂板破斷形成采場三維非對稱多級梯階狀殼體結構^[22-23]。直接頂或基本頂破斷垮落后會形成多個弧形三角板，因此直接頂弧形三角板或基本頂弧形三角板本身就存在多層梯階結構，為便于分析計算，將其簡化為一個弧形三角板。

隨著工作面向前推進，采空區下部未充實的情況下，弧形三角板會發生周期破斷，且具有以下特點：①破斷時序為頂煤弧形三角板、直接頂弧形三角板破斷、基本頂弧形三角板；②頂煤弧形三角板破斷周期最短，直接頂弧形三角板次之，基本頂弧形三角板最長；③同一層位上端頭弧形三角板較下端頭弧形三角板先發生破斷，且下端頭破斷位置滯后于上端頭；④受偽斜角影響，上端頭弧形三角板為銳角形，下端頭弧形三角板為鈍角形，且上端頭弧形三角板尺寸大于同煤層傾角條件下真斜工作面上端頭弧形三角板，下端頭弧形三角板反之；當偽斜角達到一定程度時，下端頭弧形三角板尺寸小于上端頭。

2 下端頭合理支護阻力研究

2.1 下端頭支護形式

下端頭頂板受工作面煤壁和回采巷道煤壁固支作用及端頭支架支撐作用，較為穩定，基本不發生強礦壓災害。除小范圍冒頂漏矸外，垮落矸石對端頭支架接觸和沖擊導致支架易發生擺尾、傾倒現象，影響“支架-圍巖”系統穩定^[24]。簡言之，下端頭區域災害形成的關鍵是下端頭“支架-圍巖”系統穩定性控制，直接影響因素是與下端頭支架直接接觸的弧形三角板穩定性。以大傾角綜放工作面為例，為保證工作面下端頭安全，頂煤弧形三角板需實現以下2點：①擋矸，阻擋上方頂板發生破斷后產生的可能造成端頭處設備損毀和人員傷亡的垮落頂板和矸石；②自穩，避免其自身破壞后產生的煤塊對端頭處的支架、設備和人員造成影響。為了實現以上要求，需要端頭支架與頂煤弧形三角板共同承載上覆載荷，保證頂煤弧形三角板不發生宏觀破壞。

工作面頂板具有承載和傳遞載荷作用，保持頂板結構完整對工作面端頭支護有重要意義。優化端頭支護方式要遵循“三個保證”原則：保證端頭頂板結構完整，保證端頭頂板不發生應力集中，保證巷道的支護安全和正常作用。巷道與端頭處緊密聯系，對端頭支護的優化勢必引起巷道形狀和支護的變化，而傳統大傾角工作面回采巷道采用水平矩形斷面，導致巷道頂板和工作面頂板不在同一層面上，阻斷了部分煤巖層的應力傳遞路徑，易造成應力集中，引起端頭頂板破壞。因此，采用異形斷面使巷道頂板與工作面頂板位于同一層面，保持端頭頂板的完整，如圖6所示。

2.2 弧形三角板穩定性分析

將弧形三角板視為載荷傳遞結構，其上覆巖層載荷簡化為作用在基本頂弧形三角板上的均布載荷，方向豎直向下，疊加基本頂、直接頂、頂煤弧形三角板重力傳遞至端頭支架。由于采空區下部矸石充填不均勻，在端頭處形成“空域”，考慮安全性和容錯性，認為下端頭弧形三角板下無充填作用，故頂煤弧形三角板傳遞至端頭支架的力，即為端頭支架所需支護阻力。

弧形三角板梯階結構受力如圖7所示，q_s為上覆巖層傳遞下來的均布載荷，合力為F_s=q_s·S₃；q_z為端頭支架和巷道煤壁對頂煤弧形三角板支撐力，S₁為頂煤弧形三角板面積；G₁，G₂，G₃分別為頂煤、直接頂、基本頂弧形三角板重力；F₁，F₂，F₃分別為頂煤、直接頂、基本頂對各自弧形三角板的支撐力；F₄，F₅，F₇，F₉分別為F_s，G₃，G₂，G₁在垂直于煤層方向上的分力；f₃，F₆，F₈，F₁₀分別為F_s，G₃，G₂，G₁在平行于煤層方向上的分力；f₁為頂煤弧形三角板和直接頂弧形三角板間的摩擦力；f₂為直接頂弧形三角板和基本頂弧形三角板間的摩擦力。端頭處保持穩定需要達到受力平衡需滿足以下條件

F₄+F₅+F₇+F₉+q_zS₁=0 "（1）

f₁+f₂+f₃+F₁+F₂+F₃+F₆+F₈+F₁₀=0 "（2）

其中各三角板垂直煤層的分力計算公式為

式中 α′為煤層傾角，（°）。

2.3 下端頭支架支護阻力確定

2.3.1 弧形三角板受力分析

以頂煤弧形三角板為研究對象，為簡化計算，將圖3（a）頂煤弧形三角板簡化為三角板，工作面煤壁側邊長OA，巷道煤壁側邊長OB分別為a，b，夾角為α，如圖8所示。

由于液壓支架主要對頂板提供垂直接觸面的支撐力，根據FLAC^3D數值計算分析結果，得出三角板OA，OB邊所受支架的支撐反力呈現“中間高、兩側低”特征，基本符合二次函數曲線分布，如圖9，圖10所示，因此，以O點為原點，建立柱坐標系，工作面下端頭三角板力學模型如圖11所示，設OA，OB兩邊反力F_a和F_b為二次曲線分布。

式中 m為系數，其大小與三角板形狀和載荷P_t有關；r為板邊某點到原點距離，m。

頂煤弧形三角板載荷P_t與端頭支架和煤壁的支撐力q_z是一對反力，代入式（1）得

根據三角板z方向受力平衡得

式中 P_t為頂煤弧形三角板承受的均布載荷，Pa；α為邊OA，OB的夾角，（°）。計算得出

2.3.2 端頭支架最小支護阻力

對弧形三角板穩定性進行受力分析，作用在基本頂弧形三角板上的覆巖載荷P₁，疊加端頭基本頂、直接頂、頂煤弧形三角板重力P₂傳遞至端頭支架，二者即為端頭支架所需支護阻力。動載系數為K，端頭支架的寬度為D₁，工作面支架寬度為D_g，端頭支架距巷道煤壁的距離為n，即端頭支架工作阻力為

式中 ∑H_d為直接頂厚度，m；∑H_b為基本頂厚度，m。P₁可根據參考大傾角煤層走向長壁采場支架與圍巖的關系^[25]，利用大傾角煤層“R-S-F”系統動力學控制理論，結合PCA-SVR預測模型^[26]計算出液壓支架工作阻力。

將式（3）式（4）式（5）式（7）式（9）式（10）代入式（8）可得下端頭支架最小支護阻力計算公式

大傾角真斜工作面端頭弧形三角板OA，OB兩邊夾角是90°，將α=90°代入式（5）式（7），即可計算大傾角真斜工作面端頭支架支護阻力。

3 工程應用效果

棗泉煤礦120210大傾角綜放工作面煤層傾角39°，支架工作阻力P₁為6 500～7 000 kN，選取ZF 8600/18/35型基本支架和ZFG 9800/20/36型過渡支架。下端頭頂煤厚度h₁=5.15 m，直接頂厚度h₂=6.35 m，有效基本頂弧形三角板厚度h₃=8.00 m，實測頂煤弧形三角板有效尺寸a=7.00 m，b=8.00 m，直接頂和基本頂弧形三角板尺寸可通過實驗覆巖垮落角估算得出，傾向下端頭覆巖垮落角為53°，走向下端頭覆巖垮落角為61°，故c=11.78 m，d=11.52 m，e=17.81 m，f=15.95 m，F₄=0。

根據棗泉煤礦實際情況，下端頭處采用配合異形巷道的橫式端頭支架進行支護，D₁=2.5 m。F₅，F₇，F₉計算公式為

式中 S₁，S₂，S₃分別為頂煤、直接頂、基本頂弧形三角板面積；γ₁，γ₂，γ₃分別為頂煤、直接頂、基本頂容重，取值分別為14 000，25 000，25 000 N/m³，α′為下端頭煤層傾角。

將式（12）代入式（4）中得P_t=1.14 MPa，且端頭支架寬D₁為1.5 m，工作面支架寬D_g為1.5 m，解得：P_d=8 091.866 kN。

為確保工作面下端頭安全性，端頭支架的支護阻力留有一定富余系數，故下端頭采用了ZTHJ11400/15.5/25型橫式端頭支架，取得了良好的支護效果，保證了大傾角煤層下端頭的安全性。

4 結 論

1）大傾角走向長壁偽俯斜開采頂板破斷具有不同于真斜開采的時序性、分區性特征。直接頂垮落順序依次為傾斜中部、上部、下部；支架前移后，上部、中部垮落直接頂依次滑移充填；基本頂表現為“U-X-O”特征的時空破斷特征。

2）偽俯斜工作面頂板周期性破斷在下端頭形成不同層位的弧形三角板，不同層位弧形三角板疊加形成弧形三角板梯階結構，承載和傳遞上覆巖層載荷，在端頭支架支撐作用下維持動態穩定性。

3）建立了偽俯斜工作面下端頭三角板力學模型，揭示了三角板固支邊所受支架支撐反力的二次函數曲線特征，給出了下端頭最小支護阻力計算公式，指導了棗泉煤礦綜放工作面下端頭支護阻力確定和端頭支架選型。

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（責任編輯：劉 潔）