綜采工作面端面頂板失穩規律及其應用

張智巍

（山西焦煤西山煤電集團西曲礦， 山西　古交　030200）

1　工程概況

某礦S2108工作面標高+419～+445 m，埋藏深度518～548 m，采高3.2 m，煤層平均厚度5.6 m，煤層厚度變化不大，屬較穩定煤層，直接頂板為泥巖、砂質泥巖，節理裂隙發育，強度較低。工作面采用走向長壁、后退式大采高低位放頂煤一次采全高全部垮落式綜合機械化采煤法。根據直接頂初次垮落步距為8～15 m，老頂初次垮落步距為30～45 m，周期來壓步距為10～15 m，選用ZF8000/20/38型支撐掩護式支架支護頂板。

在煤礦綜采工作面推進過程中，端面冒頂會影響工作面正常生產循環，影響綜采面生產效率[1]。S2108工作面直接頂厚度1.10～1.70 m，節理裂隙發育完全，整體性差，易發生端面頂板的破碎和冒落。本文以某礦S2108工作面為研究對象，分析工作面端面頂板冒落失穩規律，結合支架與圍巖相互作用關系，提出工作面端面頂板穩定性控制技術，實現綜采面的安全高效開采。

2　工作面端面頂板的失穩規律分析

2.1　數值計算模型的建立

根據某礦S2108工作面煤層地質和開采技術條件，采用FLAC3D數值模擬軟件建立數值計算模型，并對其進行模擬分析[2]。由于該工作面直接頂節理裂隙發育完全，決定采用多節理材料本構模型模擬分析定義幾何形狀和材料參數，構建殼型結構單元模擬支架頂梁，將殼型構件的邊沿使用塑性鉸接完成對支架前后支柱的模擬，利用殼結構單元來模擬支架與圍巖的相互作用關系。此模擬方式能夠全面、系統地反映S2108工作面開采頂板應力場分布規律和破壞場分布規律，為提高端面頂板支護強度提供重要的數據指導[3]。具體模擬方案如下：

1）設置相關參數，對S2108工作面進行建模，分析頂板應力分布規律。

2）改變選型液壓支架的支護強度參數，分析支架工作阻力為 2 400 kN、4 000 kN、5 600 kN、6 400 kN、7 200 kN和8 000 kN時工作面端面頂板應力分布規律。

3）改變支架前后工作阻力參數，分析不同參數時支架受力狀態以及端面頂板的控制效果。

2.2　工作面頂板應力分布規律

通過模擬，得到支架支護條件下工作面頂板最大主應力場與破壞場分布情況，如圖1所示，以此為依據分析工作面頂板應力場變化規律、破壞場分布規律。

圖1　支護條件下工作面端面頂板最大主應力場與破壞分布情況

所選支架ZF8000/20/38的額定工作阻力為8 000 kN，分析圖1，在液壓支架額定工作阻力范圍內，工作面支架上方頂板以及煤壁前方頂板穩定性較強，不易出現冒頂現象，但工作面煤壁前方頂板中會出現塑性破壞區域，破壞形式主要為壓剪破壞。

2.3　支架工作阻力對端面控頂的影響

工作面支架工作阻力是影響端面頂板控制的重要因素，支架與圍巖系統相互作用導致端面頂板的失穩破壞。通過分析不同支架阻力對端面頂板的控制效果可知：當支架工作阻力較小時，破壞了頂板的完整性；當支架工作阻力較大時，發生冒頂概率較大。

根據模擬結果參數計算得出工作面端面頂板受拉力巖體高度與支架工作阻力之間的關系曲線，確定工作面推進過程中工作阻力較為合理，進一步了解工作面端面頂板的破壞程度與支架工作阻力之間的關系[4]。分析相關曲線可知，端面頂板穩定性隨著支架支護阻力的增大而增大，當控制支架工作阻力達到額定工作阻力的80%以上時，能夠保證端面頂板的支護強度。

2.4　支架前后柱工作狀態對端面控頂的影響

支架前后柱工作阻力影響端面頂板和支架頂梁的穩定性，本文以ZF8000/20/38支架為原型，通過改變支架前后柱工作阻力比值，分別為0.81、0.92、1.22、1.37，分析支架頂梁應力分布特點以及支架與圍巖的變形特點。通過計算可知，當支架前柱工作阻力小于后柱阻力時，支架后部承受頂板壓力較大，不利于支架的穩定；當支架前柱工作阻力大于后柱阻力時，有利于支架的穩定。另外，隨著工作阻力比值的不同，在某區域出現一分界點，此處支架頂梁上方頂板壓力保持不變。

通過分析可知，在支架工作阻力不變的條件下，支架頂梁前端頂板壓力隨支架后柱阻力的增大而減小，這表明支架對前端頂板承壓較大，易破壞頂板完整性，不利于頂板的控制，易造成冒頂事故，影響工作面生產效率。

當支架前柱工作阻力大于后柱工作阻力時，支架頂梁前端頂板壓力較大，端面頂板控制效果較好，有利于支架的穩定?？紤]到支架后方頂板的良好控制，取支架前后柱工作阻力比為1∶1.2能同時滿足支架后方頂板的有效支護。因此，在確保支架工作阻力為額定工作阻力80%以上的情況下，合理的前后柱工作阻力比為1∶1.2。

3　工作面端面頂板穩定性控制技術

支架與圍巖相互作用導致支架前方頂板破碎失穩，進而造成綜采面端面冒頂[5]。通過分析S2108工作面端面頂板穩定性的主要影響因素，從優化工作面回采順序，合理控制推進速度以及液壓支架的質量監控等方面入手，提出S2108工作面端面頂板穩定性的控制技術。

1）改善綜采面支護方法。采用注漿法支護頂板，保證了工作面圍巖的整體性，制定合理的支護方案，一旦工作面發生冒頂事故，能夠及時采取相關措施控制頂板，降低因突發事故對綜采面正常推進造成的影響。

2）改進工作面工種配合方式。以采煤機為中心合理安排循環作業，采煤機作業后及時布置護幫板，移架要及時迅速，提高綜采面機械化水平，使礦山逐漸向少人化、無人化、數字化方向發展。

3）優化液壓支架參數，使前柱工作阻力大于后柱工作阻力，提高支架的初撐力，有利于端面頂板的控制。

4　結論

1）通過適當提高液壓支架支護阻力增加頂板穩定性，在不超過支架額定工作阻力的情況下，所選支架能夠承受頂板壓力，但在煤壁前方頂板出現塑形破壞區域，破壞形式主要為壓剪破壞。

2）綜采面支架前后柱工作阻力比值是影響端面頂板控制效果的重要因素，前后柱阻力比為1∶1.2能有效地控制工作面頂板的穩定。

3）從優化工作面回采順序，合理控制推進速度以及液壓支架的質量監控等方面入手，結合綜采面實際生產狀況，加強對某礦S2108工作面端面頂板的穩定性，提高煤礦生產效率。

[1]康立勛.大同綜采工作面端面漏冒及其控制[D].徐州：中國礦業大學，1994．

[2]張頂立，何佐德.綜放開采端面頂煤穩定性研究及應用[J].煤，2001，10（4）：21-25．

[3]張寧波，劉長友，于文海，等.兩柱掩護式綜放支架對端面頂煤穩定性的控制作用[J].煤炭工程，2011（3）：31-33．

[4]方新秋，錢鳴高，曹勝根，等.綜放開采不同頂煤端面頂板穩定性及其控制[J].中國礦業大學學報，2002，31（1）：69-74．

[5]徐金海，張頂立.綜放工作面端面冒頂事故的防治[J].中國安全科學學報，1998，8（5）：28-31．