厚煤層大采高綜采工作面覆巖失穩(wěn)破斷規(guī)律及控制研究

段偉

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)上灣煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

1 工作面覆巖失穩(wěn)破段概述

隨著近年來(lái)科技和技術(shù)的不斷發(fā)展和改革，刮板運(yùn)輸機(jī)和采煤機(jī)以及大采高支架等一系列的煤炭開(kāi)采設(shè)施和技術(shù)在不斷的進(jìn)步和發(fā)展，所以說(shuō)在大采高綜采工作面開(kāi)采技術(shù)方面的工作效率和質(zhì)量就有很大的的提高。但是相關(guān)的研究表明，在地質(zhì)一樣的背景下，不斷調(diào)整支架的高度，工作面的速度就不得不逐漸加快，所以在進(jìn)行大采高綜采技術(shù)進(jìn)行開(kāi)采的過(guò)程中，圍巖支架的失穩(wěn)性事故發(fā)生的概率就不斷增加，相比普通的采高工作面來(lái)說(shuō)發(fā)生事故的概率更高。在大采高綜采工作面開(kāi)采工作的過(guò)程中，片幫和冒頂?shù)氖鹿拾l(fā)生率比較高，而且后果也比較嚴(yán)重。另外，巷道支架保護(hù)的保護(hù)能力比較低下，所以就會(huì)出現(xiàn)支架產(chǎn)生壓死或者被破壞的現(xiàn)象[1-2]。

2 工作面覆巖失穩(wěn)破段規(guī)律的探究

2.1 工作面覆巖失穩(wěn)破段原理分析

相關(guān)資料表明，在工作面不斷推進(jìn)的過(guò)程中，覆巖結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不一樣的變化，其動(dòng)態(tài)演化特征可以說(shuō)明大采高綜采工作面采空區(qū)在施工的過(guò)程中，垮落的高度是不斷增加的，頂層的垮落沒(méi)辦法讓采空區(qū)得以足夠的填充，所以覆巖層的破斷會(huì)形成一種鉸接結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)如果大于極限扭轉(zhuǎn)下沉量的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候的工作面頂板就會(huì)形成非鉸接結(jié)構(gòu)，但是因?yàn)椴煽諈^(qū)不斷被填充，所以如果當(dāng)上覆巖層的上部分不斷增加新的破段體的時(shí)候，它們之間會(huì)形成一種鉸接結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)下沉量就會(huì)比極限扭轉(zhuǎn)的下沉量要小，這個(gè)過(guò)程中就會(huì)形成鉸接結(jié)構(gòu)，所以大采高綜采覆巖層破斷的原理就是形成了一種特殊的形態(tài)組合，即“組合懸臂梁結(jié)構(gòu)—壓實(shí)填充結(jié)構(gòu)—非鉸接巖梁結(jié)構(gòu)—鉸接巖梁結(jié)構(gòu)”。

2.1.1 圍巖與大采高綜采支護(hù)的關(guān)系

大采高綜采的施工過(guò)中支護(hù)質(zhì)量和支護(hù)狀況有著很重大的作用，它影響著頂板的非鉸接結(jié)構(gòu)和懸梁組合結(jié)構(gòu)，這兩者的穩(wěn)定度受到了支護(hù)很大的影響，同時(shí)兩種結(jié)構(gòu)也會(huì)影響到支護(hù)工作的工作狀態(tài)。頂板鉸接結(jié)構(gòu)對(duì)穩(wěn)定性也有很大的影響，它影響著支架和頂板非鉸接結(jié)構(gòu)也影響著懸梁組合結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，在頂板懸梁采空區(qū)矸石冒落的支護(hù)中，頂板的非鉸接結(jié)構(gòu)也有很大的影響[3]。

2.1.2 支架與頂板懸梁組合結(jié)構(gòu)的作用關(guān)系

當(dāng)頂板非鉸接覆巖被頂板懸梁組合結(jié)構(gòu)支撐的時(shí)候，矸石冒落會(huì)對(duì)頂板覆巖斷裂產(chǎn)生不同程度的影響，而且在矸石冒落不斷填充和支撐的程度不斷提高的情況下。頂板斷裂的程度將會(huì)不斷降低，所以巷道工作面的支撐保護(hù)能力應(yīng)該不斷提高，其阻力的重心應(yīng)該不斷往后偏移，這樣才可以起到支護(hù)保護(hù)懸梁組合頂板的作用，從而可以不斷提高懸梁組合結(jié)構(gòu)頂板的穩(wěn)定程度。

2.1.3 支架與頂板懸梁組合結(jié)構(gòu)的作用關(guān)系

大采高綜采工作的過(guò)程中，矸石填充的速度沒(méi)辦法供上采空去區(qū)域的頂板破裂速度，而且這個(gè)時(shí)候如果煤層的頂層采空區(qū)域沒(méi)有得到矸石冒落及時(shí)填充和支撐，之后就會(huì)得到持續(xù)性的破斷現(xiàn)象，支護(hù)就會(huì)對(duì)懸梁形態(tài)產(chǎn)生作用，所以覆巖層懸梁組和結(jié)構(gòu)對(duì)于大采高綜采工作面阻力支護(hù)還是有很大的影響。

2.2 規(guī)律探究

根據(jù)相關(guān)的研究和資料，再結(jié)合大采高綜采工作面的施工過(guò)程中的實(shí)際情況，可以得出覆巖失穩(wěn)破段的規(guī)律。

（1）當(dāng)進(jìn)行開(kāi)采煤層的礦井工作面達(dá)到20m時(shí)，這個(gè)時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生頂板垮落破段的現(xiàn)象，在工作面不斷開(kāi)采的過(guò)程中，開(kāi)采空白的地區(qū)頂板就會(huì)出現(xiàn)規(guī)律性的周期性的破斷現(xiàn)象，巷道上面安裝的懸梁將會(huì)支撐支架。這個(gè)過(guò)程中，頂板上的覆巖層還沒(méi)有開(kāi)始斷裂，同時(shí)懸梁對(duì)于覆巖具有一定的支撐作用。隨著開(kāi)采工作的不斷推進(jìn)，不同部分的覆巖層就會(huì)出現(xiàn)不斷下沉的現(xiàn)象，這個(gè)時(shí)候板分層就會(huì)開(kāi)始離層，最后不斷的垮塌在開(kāi)采空曠的地區(qū)[4-5]。

（2）當(dāng)開(kāi)采煤層的礦井工作面進(jìn)行到70m的過(guò)程中，因?yàn)轫攲臃蛛x層的原因，所以頂板就會(huì)不斷的掉落，堆積垮落的分層的高度也在不斷的增加，這個(gè)時(shí)候采空去區(qū)就會(huì)被矸石冒落不斷的堆積填充。與此同時(shí)，這些矸石也會(huì)支撐覆巖層破斷的部分，但是因?yàn)轫肥奥溟_(kāi)始的時(shí)候?qū)儆趬嚎s的形態(tài)，所以說(shuō)這個(gè)時(shí)候的矸石冒落處于一種很低的密度形態(tài)，也就說(shuō)明還可以繼續(xù)壓縮，并且可以讓頂板下層的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)想的極限，這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的破碎石塊之間并不能夠產(chǎn)生巖梁鉸接的結(jié)構(gòu)，而是出現(xiàn)巖梁不能鉸接的現(xiàn)象。

（3）當(dāng)開(kāi)采煤礦的礦井工作面進(jìn)行到120m的時(shí)候，跨絡(luò)落的覆巖會(huì)上升到一定的高度，這個(gè)過(guò)程中開(kāi)采空曠的地區(qū)的空間會(huì)隨著工作面的增加，不斷縮小采空區(qū)的矸石冒落壓縮能力就會(huì)受到限制，這個(gè)時(shí)候覆巖層實(shí)際下沉的數(shù)量，要比允許的下沉量要大很多，并且破斷塊之間的壓力也在不斷的增加，而且頂部板塊高位需要用很大的力量來(lái)保持破斷塊之間的平衡，這樣才可以保證分層頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度[6-7]。

所以，在煤層開(kāi)采的施工過(guò)程中，對(duì)于頂板覆巖破段不斷垮落的現(xiàn)象，可以分析出對(duì)頂板覆巖垮斷產(chǎn)生影響的主要是采空區(qū)的空間。如果采空區(qū)域沒(méi)有得到及時(shí)的補(bǔ)充和填補(bǔ)，這個(gè)過(guò)程中允許的下沉空間就會(huì)超出允許的范圍，這個(gè)時(shí)候就會(huì)導(dǎo)致破段頂板鉸接結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生斷裂的現(xiàn)象，而這個(gè)時(shí)候頂板覆巖層不斷下沉的空間還是非常充裕的。這個(gè)過(guò)程中沒(méi)辦法讓破斷的巖石產(chǎn)生擠壓的作用，所以頂板產(chǎn)生的非鉸接結(jié)構(gòu)需要利用矸石冒落進(jìn)行支撐。

3 工作面覆巖失穩(wěn)破段控制方法

3.1 施工策略

3.1.1 確定支架型號(hào)

通過(guò)實(shí)地測(cè)量和研究資料的補(bǔ)充，大采高中場(chǎng)工作面的支護(hù)阻力范圍在15MN左右，就目前開(kāi)采煤礦使用的設(shè)備來(lái)說(shuō)，大采高煤礦開(kāi)采設(shè)備可以利用zz13000液壓掩護(hù)型四柱支撐支架，可以結(jié)合超前預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行輔助，達(dá)到對(duì)頂板的控制效果。

對(duì)于上面的四柱支撐支架這一款設(shè)備來(lái)說(shuō)是比較適合傾斜角度小于15°，走向傾角度小于等于10°的煤層礦井。這款車(chē)架的開(kāi)始支撐力能達(dá)到10128 kN，阻力的占比是77.9%，不過(guò)這一款的支撐支架也有很大的優(yōu)勢(shì)，切頂力比較強(qiáng)，支護(hù)的強(qiáng)度也比較大，所以完全可以符合煤礦大采高綜采工作面控制頂板設(shè)備操作要求[8]。

3.1.2 頂板堅(jiān)硬控制技術(shù)

應(yīng)該不斷向堅(jiān)硬頂板進(jìn)行人工施壓，防止在工作面施工工作過(guò)程中產(chǎn)生壓架的現(xiàn)象和事故，并且在施工的過(guò)程中。要讓巷道工作面的頂板冒落和懸露不斷減少和降低，讓頂板工作面的下落高度不斷降低，讓頂板能量壓力的聚集不斷減少。

可以采取以下措施：一是進(jìn)行高壓注水，在頂板工作面上，這樣可以讓頂板工作面巖層的物理性質(zhì)發(fā)生變化，可以讓巖層工作面的力學(xué)強(qiáng)度不斷降低；二是減小老頂工作面的懸頂長(zhǎng)度，而且利用的是人工放頂?shù)姆绞剑@樣可以讓老頂工作面壓力減少，進(jìn)而可以改變頂板工作面穩(wěn)定的力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定程度。

3.1.3 超前預(yù)裂爆破技術(shù)

為了能夠讓頂板覆巖的支架控制能力不斷增加，大采高綜采工作面可以利用預(yù)裂爆破技術(shù)，對(duì)工作面頂板進(jìn)行處理加工，不過(guò)應(yīng)該避免工作面不斷的裝藥打孔，而且打孔的間距不可以太小，還要考慮到支架的承受能力，頂板的尺寸不可以制作的太大，而且可以設(shè)置預(yù)裂爆破的距離為20m，這樣就可以讓工作面的開(kāi)采工作正常進(jìn)行，不過(guò)應(yīng)該讓裝藥和鉆孔的方式正確保證開(kāi)展工作的正常進(jìn)行。

3.2 技術(shù)改進(jìn)

因?yàn)槊禾恐w容易產(chǎn)生集中的應(yīng)力，所以工作面煤巖體很容易產(chǎn)生破碎，從而圍巖變形就會(huì)比較慘重，這個(gè)過(guò)程中就需要讓錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)對(duì)巷道進(jìn)行圍護(hù)。這樣不但增強(qiáng)頂板巖層的抗壓能力，還可以增加頂板巖層的承壓作用，這種情況下就可以讓巷道圍巖抵抗得住距離最近的煤層的變形破壞影響，所以就需要利用二次注漿加固的方式，不斷提高加強(qiáng)巷道的承壓能力，讓巷道的穩(wěn)定程度不斷提高。

二次注漿加固的方式如下：首先在巷道軸上面設(shè)置五個(gè)注漿孔，長(zhǎng)度為60m，孔徑為85mm，深度4.5m。選擇單漿液的水泥作為巷道的注漿液，水泥的材質(zhì)是P.S 32.5R——普通硅酸鹽水泥，在其中可以加入小部分的水玻璃，這樣就可以讓漿液的流性提高，水泥和水灰的比例是2:1，1：1和0.75：1，水玻璃的濃度在35～42Be之間，水泥和水玻璃的濃度比例是1:1。

最后應(yīng)該讓注漿液處于緩慢升壓的狀態(tài)，正常情況下載0.5～1.0Mpa，最終的液壓值在2.0Mpa左右。

4 結(jié)論

綜上所述，本文介紹了厚煤層大采高綜采工作面覆巖失穩(wěn)破斷規(guī)律的內(nèi)容。

（1）在實(shí)際的施工過(guò)程中，礦井工作面推進(jìn)高度不同，頂板垮落的破斷程度也不一樣，會(huì)隨著深度不斷增加，這個(gè)過(guò)程中頂板破裂的程度加大，采空區(qū)空間受到了很大的影響，如果采空區(qū)沒(méi)有得到充分的矸石冒落的填充，那么破裂的程度就會(huì)增加。

（2）同時(shí)本文還論述了圍巖和大采高綜采支護(hù)之間的關(guān)系，支護(hù)作用體系對(duì)于圍巖的和巷道的保護(hù)作用很大，跟頂板懸梁組合結(jié)構(gòu)之間是相互的關(guān)系。

（3）為了在施工的過(guò)程中減少工作面覆巖失穩(wěn)破段的程度，首先需要先確定好支架型號(hào)，利用頂板堅(jiān)硬控制技術(shù)，然后再加上超前預(yù)裂爆破技術(shù)，就可以讓頂層結(jié)構(gòu)達(dá)到一種穩(wěn)定的狀態(tài)。

（4）在支護(hù)技術(shù)在工作面也可以有很大的改進(jìn)，比如可以進(jìn)行二次注漿加固的方式，這樣就可以讓工作面開(kāi)采的過(guò)程中得到很好的保障，減少工作面覆巖失穩(wěn)破斷對(duì)于煤礦開(kāi)采造成的巨大損失。

但是，本文的研究還存在諸多不足之處，對(duì)于覆巖的失穩(wěn)破斷規(guī)律研究的還不是很透徹，缺乏真正的實(shí)踐數(shù)據(jù)，希望后期可以及時(shí)補(bǔ)充改正。