綜采工作面端頭頂板大面積懸頂致災機理及控制技術研究

＊張建軍

（山西省大同市晉能控股煤業集團同家梁礦 山西 037000）

1.綜采工作面端頭頂板大面積懸頂致災機理

綜采工作面端頭處無論是人員作業，還是設備作業都是從端頭直接頂位置進行的。因此，只要端頭直接頂位置發生變形或者垮落都會導致端頭直接頂相鄰兩邊保持固定，而另一弧形斜邊則是呈現弧三角狀。

圖1 綜采工作面端頭老頂斷裂形式與結構模型

當工作面不斷向前推進時，工作面端頭頂板所承受的彎矩也會隨之增大。當端頭頂板所承受的彎矩達到最大極限值時，端頭頂板就會發生破斷垮落。端頭頂板破斷線因極限彎矩作用發生弧三角變形，當工作面不斷向前推進，端頭頂板也會不斷有弧三角變形發生。按照工作面頂板覆蓋巖石的破斷規律，通常老頂第一次發生斷裂時，其裂縫外形都會呈“O-X”型。當老頂多次發生斷裂時，工作面的主體梁和端頭形成一個弧三角結構外形。因為弧三角結構所承受的最大彎矩還沒有超過頂板所能承受的極限應力，所以頂板不會發生垮落，與此同時頂板端頭位置有煤柱、錨索以及錨桿共同支護，因此才導致端頭頂板只形成懸頂而未發生垮落。巖塊B作為工作面主體梁的重要組成部分，但是在頂板端頭發生弧三角變形。由下述模型可知，無論是巖塊C還是巖塊B都會對端頭頂板所承受的壓力產生重大影響，尤其是巖塊B對端頭礦區的變形影響最是明顯，圖2所示為弧三角受力簡圖。巖塊A、B、C和弧三角塊B都是塑性鉸接接觸，其具體受力情況如圖2所示。

圖2 弧三角塊受力簡圖

2.端頭頂板礦山壓力監測與預報

根據礦山壓力以及端頭頂板運動規律監測，對支架的使用情況進行評價和監測，從而確保支架能夠有效工作。通過對現場端頭頂板的工作狀態進行監測預報，當端頭直接頂發生弧三角形斷裂時，此時頂板就會發生大面積垮落從而形成咫風，因為支架所承受的阻力相對較小，所以當發生垮落時安全閥也不會自行開啟。因此，采用傳統壓力監測系統無法對端頭頂板壓力變化進行判斷，同時也無法對端頭頂板垮落時間進行判斷。在端頭人員通行位置接頭崗位工作人員可以通過離層指示儀對工作面錨桿錨索支護區域以及覆巖層的位移進行監測。同時通過表面位移計對巷道表面以及頂板移動距離進行監測。在監測過程中采用各種觀測儀器對端頭懸頂情況進行及時記錄和分析，當懸頂超過規定范圍必須要通知工作人員及時退錨、增加支護以及做好頂板垮落防護措施，從而避免因頂板垮落而造成巨大安全事故。

3.提高端頭支架支護質量

當支架參數和支架架型相同時，支架支護狀態能夠對支架支護質量進行很好的反饋，下述為支架支護狀態：

支架支護安裝的合理性要通過支撐力的大小、支撐力方向以及支撐力作用點進行反映；支架支撐力實時工作狀態通過時間加權阻力大小來進行反映；端頭頂板狀態以及支架操作質量通過接頂距來進行反映；支架移動位置正確性通過梁端距來進行反映；支架穩定性則是通過頂梁傾斜角來進行反映。在對端頭頂板分析管理過程中，端頭支架和覆巖層之間的作用是相互的，支架支護狀態主要分為限定變形和給定變形兩種。在這兩種支架作用關系下，有如下兩種方法可以對端頭支架阻力大小進行確定：

（1）當端頭支架處于給定變形時，端頭支架主要承受兩部分載荷：第一部分是巖柱自身重量；第二部分是給定變形過程中形成的壓力。其阻力計算公式如下所示：

式中：∑h表示相應的直接頂厚度，m；

K表示相應的壓實系數，GPa；

n表示相應的壓實指數；

l表示相應的控頂長度，m；

θ表示相應的直接頂頂層面回轉角度，（°）；

θ1表示相應的直接頂底層面回轉角度，（°）。

（2）當端頭支架處于限定變形時，端頭支架主要承受兩部分載荷：第一部分是巖柱自身重量；第二部分是弧三角巖塊自身回轉下沉產生的壓力。其阻力計算公式如下所示：

式中：M表示相應的煤層厚度，m；

入表示相應的煤的峰后模量，MPa；

L2表示相應的弧形三角塊的側向跨度，m；

α表示老頂的回轉角度，（°）；

x0表示相應的弧形三角塊的斷裂位置，m。

從計算公式（2）可以明顯看出，當老頂回轉角非常小時，支架強度只需要很小就可以對老頂回轉下沉進行控制。因此初撐力就是控制端頭頂板的關鍵。

支架初撐力增大，接頂距離加大，梁端距離減小，可以讓頂板離層減小穩定性增強。同時頂板和支架的水平夾角較小，也可以對支架穩定性進行控制。當端面距離變大時，端面頂板很容易發生冒落。當頂板只有頂梁前段支撐時，頂梁喪失支撐作用，端面頂板發生冒落。

支架傾向角減小，可以增加支架穩定性，從而讓支架和頂板之間作用力得到平衡。經過長時間研究調查發現，在進行端頭作業時端頭支架很容易發生倒架。當端頭支架發生倒架時，端頭崗位工作人員需要及時對端頭支架進行扶正，以便支撐支護質量得到提高。假如端頭1#支架發生倒架，工作人員可以將端頭支架先清理出來，再對安全閥進行關閉，然后，將支架升起，此時支架扶正完成，最后，再將支架初撐力升緊就可以了。假如，2#，3#，4#支架同時發生倒架，此時就可以通過支架側板來對支架進行調整，先對側護板上可以進行調整的支架進行調整，先降下發生倒架的支架，然后在對未發生倒架的支架進行降下，最后在對支架進行扶正矯正。端頭支架的支護狀態對支護質量的好處影響非常大，因此，工作現場需要對支護狀態進行有效調整才能讓支護質量得到確保。

4.端頭頂板大面積懸頂和退錨技術風險預控管理

風險預控管理其本質就是以風險隱患作為基礎，通過制定風險預控措施和規范來對不安全因素進行重點管控，以便工作資源可以進行合理調配，從而讓煤礦的安全運行得到有效確保。

當端頭頂板發生大面積懸頂時通常都是通過退錨技術來進行處理。根據現場施工規范，當懸頂面積大于50m2或者懸頂高度大于10m時，都必須通過退錨技術來防止懸頂加劇。在進行退錨索操作時，必須確保退錨索距離在4m以內，同時在進行退錨桿時，也得按照由近到遠的方式操作。在進行退錨操作后，如果懸頂高度還在不斷擴大，那么此時只能通過強制爆破等方式來對懸頂進行有效控制。

作為煤礦安全管理的核心組成，危險源辨識無論是在什么工作時間都是必不可少的，通過危險源辨識可以對各種安全風險進行有效預控，與此同時還可以對安全風險所帶來的的損壞和隱患進行準確評估，從而采取合理有效的預防措施。

端頭區域無論是人員通行還是設備布置都是相對比較密集的，而且，還專門為每個工作小組配置了退錨人員以及機頭崗位工作人員。為了將懸頂災害造成的損失降到最低，同時還為工作人員的人身安全得到保障，必須及時采取退錨技術來對懸頂災害進行處理。因此在整個退錨過程中需要對危險源進行辨識，從而確保退錨作業能夠順利成功。

5.結語

（1）本文對工作面端頭發生大面積懸頂進行了詳細介紹，同時根據調研分析對其發生原因也進行了詳細闡述。

（2）根據現場實際作業情況，筆者針對頂板懸頂問題提出了3條安全有效的預控措施。

（3）通過頂板壓力監測系統，當頂板發生大面架垮落時會有強烈咫風形成，此時支架所受阻力變小，頂板壓力監測系統可以對支架支撐狀態進行監測和分析，從而對支架支護質量進行有效提高。

（4）根據現場實際作業情況，筆者提出改善支護質量的措施，以及退錨技術和危險源辨識技術等，對于預防控制頂板懸頂災害具有非常重要的意義。