大采高工作面覆巖移動規律及頂板控制技術

崔世榮

(山西呂梁中陽付家焉煤業有限公司，山西 呂梁 033000)

隨著采煤技術及機械設備的發展，針對厚煤層開采礦壓顯現特征及其圍巖控制技術的研究受到廣泛重視，特別是當煤層頂板堅硬不易垮落時，隨著工作面的推進，工作面上覆巖層形成大面積懸頂，致使頂板垮落給工作面帶來強烈的礦壓[1-4]。本文以某煤礦15201大采高工作面為背景，分析其回采過程中的覆巖移動規律和礦山壓力顯現特征，并根據現場礦壓顯現情況，提出科學的頂板管控技術，保證了工作面的安全回采。

1 工程概況

山西某礦位于山西省呂梁市，設計產量300萬t/a，礦井主要開采15號煤層，煤層結構簡單，平均厚度4.3 m，平均傾角6°。15201大采高工作面位于15號煤，工作面傾斜長度208 m，共配置117臺液壓支架，推進長度為1 689 m，煤層均厚4.3 m，屬于典型的大采高工作面，煤層結構簡單，為全區穩定可采。煤層直接頂為泥巖，平均厚度5.8 m，基本頂為細粒砂巖，平均厚度17.9 m，直接底為泥巖，平均厚度2.8 m。

2 工作面覆巖移動特征分析

為了直觀了解工作面回采期間的覆巖移動規律，決定采用相似模擬實驗進行研究，結合15201工作面工程地質實際，建立頂板結構模型，模型幾何相似比為1∶300，模型長度3.5 m，寬度為2.5 m，高2.0 m，見圖1。為詳細觀測采場上覆巖層移動及破壞情況，在模型剖面及層面位置布設位移傳感器。模型設置從切眼處向前推進，每次推進4 cm，相當于實際推進12 m。研究將裂隙發展邊界與煤層水平夾角稱為垮落角。

圖1 相似模型

2.1 模擬結果

根據上述構建的結構模型，模擬工作面實際推進過程中，頂板結構變化及垮落角的變化。模擬結果顯示：

1) 當工作面推進14 cm時，工作面直接頂開始出現裂隙，隨工作面繼續推進不斷向四周擴展，并逐漸開始垮落。

2) 當工作面推進到28 cm時，直接頂全部垮落完畢，基本頂開采出現裂隙，直接頂垮落帶高度為4.67 cm，垮落角為49.1°。

3) 當工作面推進到36 cm時，基本頂出現周期性斷裂，垮落角為52.8°。

4) 當工作面推進40 cm時，基本頂上覆巖層出現裂隙并逐漸擴展。

5) 當工作面推進到48 cm時，基本頂上覆巖層產生離層現象，最大離層量為3 mm，垮落角約為58.9°。

6) 當工作面推進到75 cm時，隨著基本頂上覆巖層裂隙繼續向上擴散，最終形成穩定的拱形結構，此時垮落角約為61.6°。

7) 當工作面推進到94 cm時，基本頂周期性裂斷，垮落角度約為64.1°。

隨著工作面的推進，整個上覆巖層的破壞范圍逐漸增加，在上表面形成了顯著斷裂線，見圖2。根據相似模擬實驗結果，隨著工作面的推進，覆巖裂隙不斷擴展、延伸，直至垮落，離層長度和高度也隨之增加。上覆巖層間的離層從直接頂向上順次發展，離層的位置主要出現在一些厚硬巖層的底部。

圖2 表面斷裂線發育情況

2.2 垮落角變化趨勢

垮落角的變化趨勢，見圖3。隨著工作面的不斷推進，垮落角整體表現為增加，變化過程主要分為快速增加階段與緩慢增加階段。

圖3 垮落角隨回采工作面推進變化情況

1) 隨著工作面的推進，直接頂暴露寬度超過其臨界垮落跨度后，頂板巖層開始斷裂及垮落，這時垮落角顯著增加。

2) 當垮落發展到堅硬巖層底部時，覆巖離層破壞終止，這時在覆巖上方形成一個穩定平衡拱限制了垮落的發展，垮落角基本保持微小的變化，這時處于緩慢增加階段。

3) 當頂部堅硬巖層垮落后，平衡拱遭受破壞，此時垮落繼續向上發展。

由此可見，工作面上覆堅硬巖體不能及時發生破壞，隨工作面推進頂板懸頂面積不斷增加，突然斷裂會使工作面礦壓顯現劇烈。

3 工作面礦壓特征

現場對15201工作面進行礦壓監測，在工作面液壓支架上安設ZYDC-3型支架壓力自測儀，通過數據傳輸系統將生產過程中支架工作阻力和立柱下縮量實時上傳。結果顯示，工作面初采期間，當工作面推進到41.5 m時，工作面直接頂垮落，直至45 m時直接頂全部垮落完畢；當工作面推進到63.6 m時，局部支架出現增阻，煤壁開始發生片幫，個別安全閥開啟，隨著生產的持續進行，增阻范圍不斷擴大，安全閥開啟范圍擴大，局部支架立柱出現了明顯的下縮現象，一直持續到70.3 m時，工作面狀態恢復正常。因此，確定工作面初次來壓布局為70.3 m。整個來壓期間，工作面支架載荷變化較大，最大卸載載荷達到了18.25 MPa，支架立柱最大下縮量達270 mm。整個礦壓監測期間，工作面共計來壓12次，基本頂來壓周期為12～22 m，平均為18.9 m，現場礦壓顯現強度較強，周期來壓期間支架立柱均出現了100～200 mm的下縮。

根據現場礦壓監測結果，15201工作面初次來壓步距長，強度劇烈，來壓期間會出現壓力短時間能急增到最大值，之后出現一定的反彈。究其原因是由于基本頂堅硬懸頂面積較長，突然發生斷裂會對工作面短時間內形成動載載荷，造成工作面支架快速卸載后恢復到正常狀態。

4 頂板控制技術

根據工作面覆巖移動規律及礦壓監測結果，為了應對15號煤層剩余工作面初采期間強礦壓現象，決定對其他工作面在初采期間實施高壓水預裂，提前破壞頂板的完整性，縮小來壓步距，降低礦壓強度。15202工作面位于15號煤層，與15201工作面相鄰，采場條件與15201工作面相似。15202工作面頂板高壓水預裂布置，見圖4，在工作面切眼兩幫共布置11個高壓水預裂孔，孔由巷道頂板中部向兩幫布置，其中朝向非回采幫布置6個孔，孔深15.5 m，間距20 m，傾角45°，朝向回采幫布置5個孔，孔深11 m，間距20 m，傾角45°。為了防止兩端頭三角區頂板垮落不充分，分別在兩端頭各布置2組高壓水預裂孔，孔深15.5 m，傾角80°。

圖4 高壓水預裂孔布置示意

該技術實施后，15202工作面初次來壓步距為58.2 m，相對15201工作面縮短了12.1 m，來壓期間立柱最大下縮量為120 mm，來壓期間短時間壓力增加幅度有所緩解，整體礦壓顯現較之前有大幅度的緩和，因此高壓水預裂頂板實現了對大采高堅硬頂板圍巖的有效控制。

5 結 語

1) 根據相似模擬結果，隨工作面的推進，覆巖裂隙不斷擴展、延伸，直至垮落，離層長度和高度也隨之增加。上覆巖層間的離層從直接頂向上順次發展，離層的位置主要出現在一些厚硬巖層的底部。垮落角整體表現為增加，變化過程主要分為快速增加階段與緩慢增加階段。

2) 根據現場礦壓監測結果，15201工作面初采來壓步距長，強度劇烈，由于堅硬頂板的存在，在來壓瞬間會出現壓力急速增長后恢復正常增阻的狀態。

3) 15202工作面初采期間采用高壓水預裂頂板技術，使得初次來壓步距減小了12.1 m，立柱下縮量減小了150 mm，且整體礦壓顯現較之前有大幅度的緩和，表明高壓水預裂技術可實現頂板圍巖有效控制。