綜放順槽采空區懸頂分析及控制技術

郭子程

(潞安集團高河能源公司，山西 長治 047100)

綜采放頂煤是一種高效開采厚煤層的方法，通過開采下部煤層，放出上部煤體，實現厚煤層的一次開采。由于開采空間大，造成工作面的垮落帶和裂隙帶較普通綜采工作面較高，頂板回轉較大，存在動-靜載荷加載，對煤巖體的損傷較大，如支護不合理則容易導致工作面、巷道冒頂事故的發生。

宋選民[1]對不同地質條件下放頂煤的來壓規律和支架選型進行了研究；弓培林[2]對頂煤的冒放性進行了研究和處理；高清啟[3]對孤島放頂煤工作面冒頂的機理進行了研究，發現冒頂的主要原因是相鄰工作面的開采過程中，老頂的斷裂對相鄰側煤體的直接頂進行了壓酥、破壞，直接導致支架前方未接頂處出現了超前冒落；方新秋[4]對綜放工作面端頭三角煤的穩定性進行了理論和數值模擬分析，發現煤柱的寬度和圍巖的強度對其起關鍵作用，針對該情況，可以適當的增加煤柱的寬度，由現在的12 m增加到20 m，強度提升較大；李迎富[5]對工作面端頭三角煤的關鍵塊進行了理論分析，提出了擠壓變形和滑落失穩的判據， 認為當煤柱寬度較小，缺少足夠的承載能力時需要采用巷旁支護。可見，研究放頂煤的頂板破斷規律對巷道的支護具有重要意義。

為了保證巷道在掘進和回采期間的穩定性， 一般支護設計偏保守，支護強度較大，但經濟上不合理，同時回采后順槽懸頂較大，存在以下危害：

1)綜采工作面回采過程中，因順槽頂板不塌，容易導致機頭尾三角區積聚瓦斯，造成瓦斯預警或者超限。

2)如順槽頂板長時間不垮落，隨著回采距離增加，兩巷機頭和機尾三角區會造成長距離空頂現象，如某一時間集中垮落，則可能造成瓦斯瞬間涌出的可能性，對工作面人員及設備造成沖擊。

退錨技術指將錨桿托盤拆除、解除錨桿的錨固作用，使錨桿失效，回收托盤、桿體和螺母、鋼帶。韓朝軍[6]對退錨的時機和位置進行了精準控制，在端頭支架的支撐范圍之內，同時在煤壁開采線之外，這樣一方面所需的退錨力較小，另一方面有端頭支架的支撐保證了安全。張慶云[7]針對放頂煤工作面和巷道中煤塵較大的問題，研發了帶防塵設備的退錨機。李錦雄[8]認為采用后張拉法施工，錨固段在張拉后存在回彈現象，一方面導致錨桿的張拉強度損失，另一方面導致存在有效應力。褚曉威[9]針對煤礦井下錨索的錨具滑脫現象進行了分析，主要是機具出現不匹配的原因，例如錨索與夾片的強度有差距等。

本文依托余吾煤業公司S1205綜放工作面，研究頂板的垮落特征，當出現順槽采空區懸頂較大時，應采取何種措施應對處理。

1 礦井地質條件

工作面埋藏深度+350 m～+535 m，該煤層為3#煤層，賦存于二疊系山西組地層中下部，為陸相湖泊沉積，煤層厚度穩定，平均為6.34 m。煤層底板1.5 m，為炭質泥巖和部分矸石混合物。工作面圍巖特征如表1所示。

表1 S1205工作面巖性綜合柱狀表Table 1 Lithologic synthetic column table of S1205 working face

2 頂板破斷分析

2.1 綜放面覆巖結構形成

在綜放工作面回采過程中，直接頂和頂煤隨著回采直接冒落，基本頂隨著回采距離的增加出現懸頂，在礦山壓力的作用下會發生旋轉、破斷， 形成“O-X”破裂結構，對產生的過程進行描述，工作面上覆巖層結構形成過程見圖1。

圖1 工作面上覆巖層結構形成過程Fig.1 Structure formation process of overburden strata of the working face

如圖1所示，把堅硬的基本頂假設為板結構，當懸頂達到一定長度時，中部彎矩較大，容易產生斷裂線Ⅰ，隨著跨度的進一步增大，板結構的長軸成斷裂線Ⅱ，隨后短軸成斷裂線Ⅲ，此時只是板的周圍產生了斷裂，與周圍結構失去了相互鉸接，加上下部已經采空，在上覆巖層的壓力作用下板結構中心進行了破斷，形成了分塊斷裂線Ⅳ，理論上形成了2塊結構，即結構1和2，這是工作面初次來壓。隨著采煤循環的不斷進行，頂板會發生周期性的破斷，導致上覆的結構破斷一直在不斷的重復產生，但由于塊度比較小，如圖中的塊度3小于塊度2，這也是周期來壓步距小于初次來壓步距的原因。

在放頂煤工作面垂直剖面傾向方向，形成的結構如圖2所示。

圖2 工作面覆巖鉸接結構Fig.2 Hinge structure of overlying strata of the working face

C段由于開挖后缺少支撐，會完全壓實采空區。A塊會保持原來的位態，只是應力經過了重新的分布，B塊形成了“鉸接”結構，其承載能力一端與A塊有關，一端與C塊有關，承載能力與A、C塊對其水平擠壓能力和接觸面粗糙程度有關，巷道位置的選擇需要重點考慮B塊的位置和斷裂線的位置。這種鉸接結構就是相鄰工作面基本頂巖層在本工作面煤體上方形成的破斷結構。

2.2 關鍵塊相關參數的確定

根據上文的分析，弧形三角塊B對下方巷道的穩定性影響較大，因此確定其基本參數對煤柱的選擇具有重要參考意義，B塊主要包括以下4個基本參數：基本頂的極限走向塊度長度L，基本頂傾向塊度長度l，基本頂巖梁的厚度ME以及關鍵塊在側向煤體中的斷裂位置S0。

2.2.1L的確定

根據上述的分析，長度L為基本頂發生破斷的距離，即周期來壓步距。根據余吾煤業S1205相鄰工作面基本頂巖層的周期來壓步距為11 m,可以推斷S1205工作面基本頂周期來壓步距亦為11 m左右，即：

L=11 m .

2.2.2斷裂跨度l的確定

l是指基本頂在傾向方向發生破斷的總長度，用于表示B塊的基本長度，l的長度可用下式進行計算：

(1)

式中：L為工作面基本頂周期來壓步距，11 m；s為工作面超前距離 ，取300 m。代入式(1)得到l=12.6 m。

2.2.3基本頂巖層的厚度ME的確定

關鍵塊的厚度ME即為基本頂巖層的厚度。根據地質鉆孔和鉆孔窺視，S1205工作面基本頂的厚度為6.5 m。

2.2.4斷裂位置

關鍵塊B的斷裂位置對其能否形成鉸接結構并且保持一定的穩定性具有關鍵的作用，進而影響到煤體一側和回采巷道的應力分布狀態。

(2)

式中：Sm為工作面超前距離，300 m；ME為基本頂巖梁厚度，6.5 m；CE為基本頂巖梁周期來壓步距，11 m；γE為基本頂容重，0.026 MN/m3；k為應力集中系數；γ為覆巖平均容重，0.025 MN/m3；H為煤層埋深，500 m。代入式(2)，得S0=5.05 m。

3 退錨技術

3.1 退錨工藝

根據上文分析，頂板回采后的形態見圖3。

圖3 工作面懸頂結構圖Fig.3 Suspended roof structure of the working face

順槽采空區在關鍵塊B下方，隨著工作面的不斷推進不會及時的垮落，因此使用退錨工藝，主要為：

1)將鐵梯靠在煤墻上，由2名作業人員扶牢鐵梯，作業人員站在鐵梯上，并系好安全帶進行作業，或搭設牢固可靠的作業平臺。

2)退錨索時，將退錨機的高壓管接到風動或電動漲拉泵上。

3)膠順退錨索時，作業人員可站在轉載機身上進行退錨。

4)人員站在鐵梯上退錨時，由2名作業人員扶牢鐵梯，1名作業人員站在鐵梯上將退錨機卡住錨索進行退錨，并系好安全帶，另1名作業人員按照現場跟班對干的口令對漲拉泵緩緩送液，直至將錨索退下。

5)端頭、端尾退錨后，嚴禁向采空區扔托盤、鎖具等物品，采空區里不得有鐵器出現。

6)錨索因變形等原因無法退掉時，用風鎬將錨索托盤周圍的煤炭破碎，將錨索托盤松動。

3.2 退錨效果

為了檢測退錨的效果，采用現場觀測退錨的情況以及監測退錨后頂板端頭支架的壓力。圖4所示為100#端頭支架的工作阻力，圖5所示為110#端頭支架作阻力，從11月1日開始，進行了退錨實驗。

圖4 100#支架工作阻力Fig.4 Working resistance of No.100 support

圖5 110#支架工作阻力Fig.5 Working resistance of No.110 support

從圖4、5中可以看出：

1)經過退錨工序后，支架的最大工作阻力降低，如100#端頭支架，最大工作阻力由49.1 MPa下降至46.5 MPa。而110#端頭支架，最大工作阻力由43 MPa下降至35 MPa，說明了退錨有助于減少懸頂的長度，從而減少了支架的工作阻力。

2)經過退錨工序后，雖然頂板來壓強度降低，但是頂板垮落步距減少，垮落次數增加，100#端頭支架來壓次數和頻率更為明顯。

4 結論

1)基于地質條件和綜采放頂煤理論，計算了覆巖頂板破斷形成的“O-X”結構基本參數，從理論上分析了順槽采空區懸頂的原因為關鍵塊B的支撐結構。

2)關鍵塊B的跨度為12.6 m，斷裂線位置距回采巷道為5.05 m，因此順槽采空區上方由于堅硬塊的存在，不容易垮落。

3)通過退錨技術，端頭支架最大工作阻力由43 MPa下降至35 MPa，說明了退錨有助于減少懸頂的長度，從而減少了支架的工作阻力。