大傾角復(fù)合頂板失穩(wěn)機(jī)理及控制研究

呂玉磊 白俊杰 石義恒

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116；2.中煤西北能源公司烏審旗蒙大礦業(yè)，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

新集二礦工作面具有傾角大、采高大、復(fù)合頂板易離層垮落及煤體松散等特點(diǎn)，工作面推采過程中出現(xiàn)大面積片幫冒頂，片幫深度8 m 左右，冒頂高度10 m 左右。因此需要對(duì)大傾角復(fù)合頂板制定針對(duì)性控制措施，防止發(fā)生頂板事故[1-5]。根據(jù)大傾角工作面頂板及圍巖穩(wěn)定性處理經(jīng)驗(yàn)[6-7]，傳統(tǒng)處理空頂區(qū)的方法勞動(dòng)強(qiáng)度高，工作量大，施工速度慢，并且部分頂板與圍巖控制技術(shù)在礦井中使用受限制。因此，提出了大傾角復(fù)合頂板控制措施，以求保障大傾角復(fù)合頂板工作面安全快速回采。

1 復(fù)合頂板垮斷特征及力學(xué)分析

新集二礦大傾角復(fù)合頂板工作面屬于松軟煤層工作面，煤層平均傾角35°，平均厚度3.6 m。在工作面生產(chǎn)過程中出現(xiàn)片幫和漏頂現(xiàn)象，工作面傾斜方向不同部位支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性差異較大，頂板大面積抽冒等問題已經(jīng)嚴(yán)重制約了安全高效開采。

1.1 復(fù)合頂板破斷與垮落特征

通過對(duì)比近水平單層堅(jiān)硬頂板和復(fù)合頂板的垮落特征（如圖1）發(fā)現(xiàn)：相較于堅(jiān)硬頂板，煤矸復(fù)合頂板下工作面頂板的初次破斷較小，采空區(qū)兩側(cè)巖層的垮落角也較大，頂板懸露距離較小。單層堅(jiān)硬頂板的破斷垮落特征已無法充分指導(dǎo)復(fù)合頂板工作面安全生產(chǎn)，需對(duì)復(fù)合頂板的破斷規(guī)律、機(jī)理進(jìn)行分析。

圖1 頂板破斷特征對(duì)比（m）

由煤線、泥巖等巖層組成的復(fù)合頂板具有垮落塊度小、易于破碎的特征，在大傾角賦存條件下，造成工作面傾斜方向應(yīng)力和位移非對(duì)稱性更強(qiáng)。

1.2 復(fù)合巖梁頂板受力分析

根據(jù)復(fù)合頂板的概念，建立大傾角工作面復(fù)合巖梁頂板力學(xué)模型，如圖2、圖3 所示。假設(shè)各巖層均為連續(xù)體且各向同性，層間沒有摩擦力且屬于平面應(yīng)變模型。復(fù)合巖梁的受力分析是在對(duì)單一均值巖梁受力分析的拓展，復(fù)合頂板破壞多為拉破壞，因而著重分析最大拉應(yīng)力對(duì)復(fù)合巖梁的破壞，以此進(jìn)一步分析大傾角工作面復(fù)合巖梁頂板的破壞特征。

圖2 復(fù)合巖梁頂板受力模型

圖3 復(fù)合巖梁所受載荷分析

復(fù)合巖梁抗彎截面模量為：

復(fù)合巖梁中的應(yīng)力為：

式中：k為復(fù)合巖梁分層系數(shù)。根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)可知：

在撓曲變形過程中，復(fù)合巖層具有相同的變形曲率，即：

式中：ρ為復(fù)合巖梁的曲率半徑；M1、M2、M3、M4分別表示各巖層的彎矩；E1、E2、E3、E4分別表示復(fù)合巖層的彈性模量；I1、I2、I3、I4分別表示復(fù)合巖層的慣性矩。

復(fù)合頂板巖梁的彎矩之和為：

聯(lián)立式（2）～（5）可得：

復(fù)合巖梁在垂直載荷作用下各巖層下側(cè)的最大拉應(yīng)力為：

復(fù)合頂板發(fā)生撓曲變形時(shí)，除復(fù)合巖梁垂直載荷作用外，還受軸向載荷作用，則復(fù)合巖梁軸向應(yīng)力為：

則復(fù)合頂板疊加巖梁在垂直載荷和軸向載荷共同作用下的應(yīng)力分布為：

由式（9）可知，復(fù)合疊加巖梁在地應(yīng)力作用下各巖層表現(xiàn)出不同的應(yīng)力集中現(xiàn)象與變形破壞，復(fù)合疊加巖梁在垂直載荷和軸向載荷作用下產(chǎn)生拉應(yīng)力，并發(fā)生撓曲變形，特別是在軸向應(yīng)力作用下加劇了復(fù)合頂板撓曲變形破壞。

當(dāng)[σimax]≥[σ]時(shí)，表示大傾角工作面復(fù)合巖層的最大拉應(yīng)力超過了其巖層的容許應(yīng)力，復(fù)合頂板發(fā)生失穩(wěn)破壞；反之，當(dāng)[σimax]＜[σ]時(shí)，大傾角工作面復(fù)合頂板穩(wěn)定。

通過對(duì)復(fù)合頂板巖梁受力分析可知：（1）大傾角工作面復(fù)合頂板巖層的應(yīng)力隨彈性模量的增大而增大，隨工作面長(zhǎng)度的增大而增大，隨復(fù)合頂板分層厚度增大而減小，隨煤層傾角的增大而減小。

（2）當(dāng)大傾角工作面復(fù)合頂板厚度一定時(shí)，分層數(shù)越多復(fù)合頂板抗彎截面模量以及慣性矩越小，最大拉應(yīng)力越大，從而導(dǎo)致復(fù)合頂板在較低的應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞；（3）大傾角工作面復(fù)合頂板各巖層的差異性大，在垂直應(yīng)力和軸向應(yīng)力作用下，軟弱夾層更容易發(fā)生破壞。

在地質(zhì)賦存條件不可變的情況下，為保證工作面開采過程中復(fù)合頂板的穩(wěn)定性，可采用注漿加固的方法提高頂板分層的彈性模量、降低工作面長(zhǎng)度和降低工作面傾斜程度（偽斜布置）等方法來提高頂板的穩(wěn)定性。

2 工作面復(fù)合頂板破斷冒落災(zāi)變過程演變

2.1 工作面頂板漏冒機(jī)理

工作面復(fù)合頂板巖性松散，膠結(jié)性差，但直接頂賦存相對(duì)完整，硬度相對(duì)較大，從而增加了頂板控制的難度。掘進(jìn)工作面頂板施工冒頂過程如圖4。

圖4 工作面開采推進(jìn)中冒頂過程示意圖

在回采過程中，工作面頂板支承壓力隨著周期來壓的出現(xiàn)顯著增大，工作面直接頂在懸頂距離增加的同時(shí)受支架的強(qiáng)力支撐作用在支架上方采空區(qū)側(cè)斷裂，如圖4（a）；隨著工作面的推進(jìn)，懸頂狀態(tài)的基本頂壓力全部作用在直接頂上，完整的復(fù)合頂板在上覆巖層的作用下被擠壓破碎，如圖4（b）；隨著基本頂控頂距不斷增加，應(yīng)力也隨之增大，達(dá)到最大控頂距后斷裂坍塌，復(fù)合頂板因壓力過大而全部破碎，此時(shí)容易導(dǎo)致作業(yè)空間漏頂，如圖4（c）。此時(shí)，如控制不及時(shí)，在復(fù)合頂板相對(duì)較厚的區(qū)域，容易導(dǎo)致大面積漏面事故發(fā)生。

2.2 冒頂主要影響因素分析

（1）煤層傾角。工作面開采時(shí)，由于大傾角和重力作用，破碎的復(fù)合頂板在推移架過程中向工作面下部滑動(dòng)，有增大發(fā)生大頂板事故的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）地質(zhì)賦存條件。斷層構(gòu)造受地層的橫向擠壓超過地層的承受力，沿滑動(dòng)面產(chǎn)生相對(duì)位移，在滑動(dòng)的過程中形成一個(gè)大范圍的破碎帶。當(dāng)工作面揭露斷層時(shí)容易發(fā)生煤壁片幫，甚至大面積冒頂。

（3）生產(chǎn)管理水平。在大傾角復(fù)合頂板煤層開采過程中，若生產(chǎn)管理不嚴(yán)格，可能導(dǎo)致煤矸石泄漏，若不及時(shí)采取控制措施，落矸將會(huì)擊碎煤壁，形成流矸通道，造成頂板頂部和采區(qū)側(cè)的煤矸石從前梁處不斷坍塌，增加生產(chǎn)作業(yè)危險(xiǎn)性。

3 工作面頂板穩(wěn)定控制方法

3.1 正常回采時(shí)頂板控制方法

工作面回采期間采用全部垮落法管理頂板，采空區(qū)頂板隨支架前移自行垮落充填采空區(qū)，工作面最大控頂距5175 mm，工作面最小控頂距4375 mm，移架步距800 mm，如圖5。

圖5 工作面平面布置圖（mm）

（1）為確保回采期間煤壁和頂板完整，工作面回采過程中在工作面回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷施工煤層鉆孔，利用鉆孔向煤體注漿，提高煤壁及頂板完整性。

（2）工作面割煤時(shí)，及時(shí)“帶壓擦頂”移架支護(hù)頂板，并及時(shí)打開護(hù)幫板抵住煤幫，護(hù)幫板打開滯后采煤機(jī)后滾筒不得超過15 m。

（3）當(dāng)工作面因初次（周期）來壓、頂板破碎影響推進(jìn)速度時(shí)，必須及時(shí)超前拉架或提前伸出支架前探梁、護(hù)幫板管理頂板，確保割煤期間頂板完好。

（4）移架時(shí)，液壓支架工嚴(yán)格按操作規(guī)程操作。移架結(jié)束后，要持續(xù)供液3～5 s，保證支架初撐力不低于24 MPa。

（5）保證兩巷超前支護(hù)的單體托棚（鉸接頂梁）液壓?jiǎn)误w初撐力，確保支柱、頂梁完好，失修、失效的支柱、頂梁要及時(shí)進(jìn)行更換。

3.2 特殊時(shí)期頂板管理與控制方法

（1）工作面來壓及末采期間頂板控制

① 初次來壓結(jié)束前及周期來壓期間，如工作面上、下隅角壓力顯現(xiàn)明顯時(shí)必須增打密集單體支柱（即在切頂線處施工切頂單體加強(qiáng)支護(hù)，切頂單體間距1.0 m），對(duì)漏液、失效液壓?jiǎn)误w及時(shí)補(bǔ)壓或更換。密集支護(hù)單體隨回采前移，直到來壓結(jié)束。

② 因初次（周期）來壓、巷道變形破壞等原因，工作面兩巷超前壓力顯現(xiàn)較大時(shí)，要及時(shí)在受采動(dòng)影響區(qū)域增加超前支護(hù)單體密度，或增打單體托棚（鉸接頂梁）加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度。

③ 工作面推進(jìn)至距停采線20 m 時(shí)，開始逐步降低采高，距停采線12 m 時(shí)將采高降至3.0 m 以下，并加強(qiáng)工作面頂板管理，確保頂板條件良好。

（2）工作面受地質(zhì)構(gòu)造區(qū)影響區(qū)域頂板控制

① 工作面過斷層時(shí)，根據(jù)斷層落差等產(chǎn)狀要素和煤層起伏變化情況調(diào)整回采層位，對(duì)過渡區(qū)域頂板采取提前破頂措施，保證支架對(duì)頂板的支護(hù)效果。

② 根據(jù)工作面破巖程度控制采高，當(dāng)工作面破矸較多或煤層較薄需破底時(shí)，將采高降至3.0 m以下。

③ 工作面頂板破碎時(shí)，必須及時(shí)帶壓超前擦頂移架支護(hù)頂板，保持支架頂梁與頂板接觸良好。

④ 移架時(shí)確保相鄰支架保持錯(cuò)茬不大于頂梁側(cè)護(hù)板高度的2/3，支架處于不擠不咬不倒的良好狀態(tài)，并保證支架初撐力達(dá)到24 MPa。

⑤ 若工作面出現(xiàn)超前嚴(yán)重片幫、冒頂危險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)降低工作面采高，并采取超前煤壁架棚措施保證頂板安全。

4 結(jié)論

根據(jù)大傾角賦存條件，在分析了復(fù)合頂板垮斷特征和研究了災(zāi)變過程基礎(chǔ)上，提出了頂板穩(wěn)定控制方法，保障了大傾角復(fù)合頂板工作面的安全開采。