斜溝煤礦綜采大采高頂板穩定性優化研究

方青龍

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602）

1 概 述

斜溝煤礦位于地震帶東側，處于地震多發地，歷史上曾發生大地震8 次，其地質復雜，圍巖呈破碎狀。大采高綜采主要集中于二煤中，二煤為單斜構造，由于褶曲構造的影響，煤層高低起伏明顯，傾角為8°～15°，最大可達20°，煤層開采厚度為4～10 m，韌性為9～10。該煤礦煤層構造簡單，下層為夾矸，上層主要為砂巖，泥巖居多。對已經施工完成的工作面分析看，煤礦傾向節理發育較好，方位為北東40°～80°，與工作面的夾角為30°。

2 綜采大采高頂板穩定性分析

2.1 頂板失穩影響因素

1）地質因素。對于斜溝煤礦來說，地質條件對大采高綜采的影響主要有四方面：①火燒坡背斜構造對綜采的影響。斜溝煤礦有褶皺發育，褶皺構造會造成水平擠壓力與剪切力形成，煤層發生滑動或流動。巖層受力后，會出現小裂隙、節理等構造，從而造成吸水脫落，發生冒頂等事故；②地質變動與地質應力影響。地質變動與地質應力作用會使煤層中的圍巖破碎，產生節理、裂隙等。隨著節理的發育，轉變為裂隙，裂隙的增多、密度加大使煤層片幫、冒頂；③巖層的膠結物組成的影響。斜溝煤礦膠結物以粘土、泥質為主，頂板滑移發生概率大；④大采高綜采為頂板布置，碳質泥巖作為偽頂，遇水易破碎、層理發育快。粉砂巖為直接頂，分布不均，且水平與垂直節理膠結不牢固，易演化為滑面，滑面垂直載荷弱，易造成失穩。

2）礦壓因素。由于斜溝煤礦已進行多個工作面開采，該大采高綜采面處于應力集中區，頂板破壞嚴重，壓力集中，冒頂概率較大。隨著開采高度與強度的不斷加大，頂板的壓力會進一步增強，破壞圍巖整體性，裂隙發育概率增大，穩定性降低。

3）工程因素。工程因素是頂板是否穩定的關鍵因素。大采高綜采推進在沒有控制好煤炭層位的情況下，會破壞工作面頂板的完整性，造成冒頂等事故的發生。在這樣的情況下，科學合理的支架工程就至關重要，支架需與頂板接觸緊密并且達到煤層所需的支護強度，接頂嚴密，發生頂板垮落現象后，可使支架起到較好的支撐作用，保證頂板穩定性。在實際工程中，操作人員還應及時移架、護幫，保證頂板穩定。

2.2 斜溝煤礦工作面生產條件分析

圖1 為斜溝煤礦的工作面布局圖，該工作面處于斜溝煤礦井田南側，回風巷在風井東南方1 300 m處，運輸巷在井口東南側1 610 m 且與回風巷平行；工作面切眼上、下口在56 號勘探線北30 m 與64 m，停采線在54 號勘探線北方450 m。工作面井下在風井筒南方130～2 142 m 處。其南側為火燒坡背斜構造區，西側為Y110204 采空區，其間有安全煤柱，東側為泄水巷（屬于12 采區），北側為煤柱線。

圖1 斜溝煤礦工作面布局圖

3 穩定性優化措施與優化效果

3.1 頂板來壓控制措施

頂板來壓具體控制措施為：

1）在煤礦進行初采時，其來壓較小，頂板支架撐力應適當，不宜過大對頂板造成破壞，也不宜過小無法支撐突然離層等現象發生的破壞。額定阻力的計算需通過模型模擬來進行計算，對支架進行模擬可以得出應變與載荷的關系公式：

式中：y為支架的應變值（kg）；X為支架載荷（kg）。

對支架阻力與推進距離進行實際模擬后，可得圖2。其中，當阻力大于阻力峰值時，說明老頂來壓，通過綜合分析可確定規律。

圖2 支架阻力與推進距離關系圖

經上述分析計算可知，支架額定支撐力設置為10 000 kN 可滿足要求。

2）在煤礦進行初采時，架前頂板會發生漏矸現象，需及時調整支架與支架的間距，保證均勻性，來壓時還需調整層位保證頂板穩定。采用增加采高的方法，形成煤皮假頂，保證頂板完整，促進頂板穩定。

3.2 片幫現象控制措施

片幫主要包括剪切滑移與失穩破壞2 種主要形式。對斜溝煤礦進行片幫監測可得表1。片幫深度主要在300～500 mm 之間，高度為1.9 m，多發生于煤壁中部，剪切滑移式片為主，屬于可控制類型。隨著采高的加大會使礦壓增強，擴大2 種形式的影響，造成大面積片幫，影響企業生產。

表1 片幫深度分布統計表

通過實際生產分析，發現支架設計時，其前傾和后斜是無法避免的，如采用固定的前傾或后斜角度設計，都會造成頂板穩定性變弱的發生，但又需及時符合角度變化要求，故使用具有伸縮功能的頂梁和可完全伸平、能支護頂板且可移動的護幫板設計，保證支架對頂板的支護作用。

3.3 支架防倒防滑措施

支架的下滑與傾倒主要是由于面頂板的片幫或者冒頂而造成的空頂現象，使頂板約束力減小，當傾倒力矩加大后，支架就會發生傾倒。當傾角變大時，支架就會在自重力和圍巖重力作用下發生下滑。其受力分析圖如圖3 所示。

圖3 支架傾倒與下滑受力分析圖

針對上述情況，采用的支架防倒防滑措施為：

1）嚴格控制采煤機頂、底板，防止傾角過大、支架不穩等現象發生。

2）禁止超高開采，加強管理，控制初撐力達標，防止下滑。

3）準備充足的剎頂材料，防止冒頂現象。

4）保持輸送機垂直，拉線移架，確保支架排列成一條線。

5）加裝防倒、防滑裝置，保持穩定性。安裝側挑梁于最后頂梁上方，支護空頂，防止倒架現象發生。

3.4 上-下端頭支護控制措施

綜采面兩巷與端頭交叉處會形成局部的剪切變形，控制該區域的穩定性為整體頂板穩定性控制的首要任務。受之前工作面開采影響，巖層具有嚴重變形，需進行上-下端頭超前支護，上-下端頭支護主要由端頭支架進行頂板支護。對現場進行實際測量得出，需對上端頭50 m，下端頭20 m 范圍進行上-下端頭支護。支撐力應高于50 kN，實行實底支柱直設，且支柱應設置在一條線上。

3.5 防治優化效果

在斜溝煤礦采用上述優化支護措施后，結合綜合防治措施與管理方法，有效的控制了頂板失穩的發生，保障企業生產。在設計實施的一年中，未發生頂板失穩事故，確保了煤礦開采頂板的穩定性。

大采高綜采具有多變、不確定和局部化的特點，頂板在開采中呈現復雜性和不均衡性，對頂板破壞嚴重。通過上述優化分析，有效解決了頂板失穩問題，提高了企業生產效率。該方法良好有效，支護科學合理，現場支護實景如圖4 所示。

圖4 現場支護實景圖

4 結 論

斜溝煤礦具有頂板多變，不確定性強，頂板失穩局部化的特征。通過對斜溝煤礦綜采進行綜合研究，分析頂板穩定性影響因素，確定優化措施，并進行了實際測試。在設計實施的一年未出現頂板失穩現象，為其他礦區的大采高綜采穩定性研究提供了經驗。