大倾角综采工作面冒顶机理分析及支护设计

郭玉强+刘玉元

摘 要：为解决综采工作面安全通过超大片帮及漏冒顶问题，采用相似材料模拟与现场实际数理分析相结合的方法，浅析大倾角坚硬顶板综采工作面冒顶机理；通过冒顶区域的设计方案是在工作面以外10m处新开设排矸巷，按照边排矸边支护边穿顶的方式支护冒顶区域，然后打设单体支柱护顶，保证正常推采后按照仰斜开采的方式，实现了工作面快速通过冒顶区域及安全回采。

关键词：大倾角；冒顶；机理分析；支护设计

Abstract： In order to solve the problem of roof safety in 1905S fully mechanized coal mining face， the similar material simulation and the practical mathematical analysis are used to analyze the roof failure mechanism of fully mechanized longwall top coal caving mining face. The plan is to set up the new gangue lane 10 meters away from the working face， support the roofing area according to the side edge support and the roofing， and then set up the single pillar to protect the roof， to ensure normal mining in accordance with the tilt mining Way， to achieve the face quickly through the roof area and safe mining.

Keywords： Large angle； Coal mine roof caving； Mechanism analysis Support design

中圖分类号：TD327 文献标识码：A

1.工作面概况

1905S工作面位于福城煤矿+520水平一采区南翼，工作面走向长平均742.6m，倾斜长平均159.2m，埋深339.3m～467.8m。开采煤层总体厚度4.25m，煤层倾角在37.7°～43°，平均41°，工作面内地质条件较复杂。2016年7月下旬，1905S工作面从30#向溜尾方向发生多次不同程度的架前片帮事故。因大面积悬顶未及时加强支护，于7月31日工作面40-80#支架前方发生大面积冒顶事故，冒顶长度70m，冒落宽度平均15m，冒落高度最高37.6m，总冒落矸石近4000m?，如图1所示。

2.煤层顶底板特性及矿压参数

根据相近工作面及本工作面实测，1905S工作面直接顶为灰岩及砂岩，厚度10.0m；基本顶为砂岩和泥岩，厚度11m；直接底为砂质泥岩，厚度3.5m。直接顶初次垮落步距28m，周期来压步距25m，工作面最大冒落带高度预计18m。工作面采用走向长壁综合机械化采煤法，根据顶板特性，采用ZY9000/24/50支撑掩护式液压支架支护顶板，采空区处理方法为全部垮落法充填采空区。

3.冒顶机理分析

3.1 大倾角煤层采动后围岩变形

1905S工作面煤层开采后，沿采面倾斜中、上部的冒落矸石下滑充填作用，使采面下部的顶板岩层受到下滑冒矸支撑作用，此处的直接顶及其上覆岩层较早达到相对稳定的状态。采面中上部的直接顶岩层冒落后倾斜下滑和堆积充填程度较小，致使其上覆岩层继续下沉运动甚至继续冒落，从而使冒落带、裂隙带的高度比采面下部更大些。当30#支架片帮后，引起上部煤层片帮蔓延。大面积空顶造成工作面发生矛盾事故。因此三带的异常分布，是工作面极易片帮、冒顶根本原因，如图2所示。

3.2 工作面冒顶数值分析

3.2.1 相似材料模拟

为了更合理地对大倾角煤层的顶板结构进行结构假设，并进行力学分析，对大倾角煤层进行了相似材料模拟。大倾角条件下，裂隙块体结构的顶板在倾向均形成图3的结构，板块间咬合形成三角拱结构。对于仰伪斜开采，属采面控顶范围内顶板下部有充填不实在的矸石，主要由下段实体煤支承，上端有滞后的三角煤支承。

顶板位移在倾向中部偏下处最大，此处正是拱顶所在位置，上拱脚位于上部三角煤体上方，下拱脚在下部实体煤中并沿着煤层开采推进，下拱脚下沉量极小，而上拱脚在不断动态之中，上拱脚下沉趋势打破了原拱平衡，但由于拱顶、脚落差变大，使拱趋向更易平衡的条件。由于倾斜拱的存在，限制了顶板的整体下沉，所以大倾角工作面普遍压力显现较缓和，同时由于顶板处于斜立状态，有沿倾向向下滑移的趋势，使顶板裂隙块体之间呈挤压状态，限制转动过程中点接触。

3.2.2 现场实测

通过对1905S工作面开采近两个月的支架初撑力、顶板下沉量、来压显现程度、来压步距等数据分析得出以下结论：工作面50-80#支架初撑力比1-40#支架大20%～30%，80-90#支架初撑力比1-40#支架大5%～15%；工作面50-70#支架顶板下沉量比1-40#支架大15%～20%，70-90#支架顶板下沉量比1-40#支架大5%～10%。大倾角煤层开采时，顶板岩层在采场倾斜中上段附近的运动幅度和破坏程度均大于采场中下段。

对1905S工作面冒顶区域现场测量后得出以下曲线（图4），该曲线表明：直接顶冒落高度沿倾斜位置而变化。

从倾斜剖面上看，直接顶及其上覆岩层由于沿倾斜从下到上所受到的支撑状态的不同，因而同一指定岩层的运动幅度也随倾斜位置而不同，表现为下部小于上部，上中部位置的顶板岩层运动相对下段剧烈一些。从实测研究中也测得采面来压时上部支柱载荷多大于下部。

由于冒矸下滑充填作用，顶板岩层在采空区后方形成了沿采面倾斜上中下位置处不同的力学结构。中、下段处的直接顶岩层有可能构成“砌体拱”的小结构，并直接影响采面该位置处的矿压显现规律。上覆岩层“大结构”易于平衡，但下部直接顶“小结构”则易于失稳。小结构失稳将引起“大结构”基础的扰动，这种扰动将引起采场支架与围岩关系在一定程度和范围内调整，从而引起采场支架载荷的变化。

研究表明，大倾角煤层采面直接顶上覆坚硬岩层时在走向上形成“砌体梁”或“砌体板”的结构。随采面的推进，直接顶岩层的上分层在采空后方处多有可能形成“砌体拱”，这种“砌体拱”主要存在于采面中、下段。该“砌体拱”属处于上部关键岩层的“砌体梁或板”大结构保护之下的小结构。此小结构既要受大结构运动规律的影响，也受自身岩性的作用。它的失稳对采面支架载荷呈一定的动载影响，并直接导致大面积冒顶事故。

3.3 其他相关原因

工作面采用ZY9000/24/50支撑掩护式液压支架支护顶板，该支架支撑力较大，防倒、防滑能量较弱，稳定性较差。另外该工作面支架从1904N工作面撤除后简单维修即投入使用，部分支架护帮板破损严重，支架底调油缸部分损坏。支架初撑力对于控制直接顶的离层、破碎及裂隙的发展是重要的因素，但工作面支架的初撑力往往达不到额定初撑力的要求，使刚暴露的直接顶得不到及时支护，造成直接顶因超前支承压力产生较多裂隙，进而变成破碎或裂隙发育的顶板，给架前冒顶创造了条件。支架护帮板破损严重造成片帮严重，底调油缸的损坏大大减弱了支架稳定性和防倒型，无法产生较大的抵抗力来阻止中上部失稳岩体的下滑，造成冒顶事故的发生。

4.工作面冒顶区域支护设计及回采措施

1905S工作面的大冒顶事故，首先需要解决的就是4000m?矸石的清理和冒顶区域的支护工作。通过对多种方案的对比分析，采用了如下方案：

（1）在工作面下端头以外10m的运输巷上帮沿9煤顶板施工160m长的溜矸道与1905S补回风巷贯通。为对工作面冒顶区域进行加强支护并且进行分段排放矸石，在巷道施工至121.5m处及74m处分别施工长度为30m、20m的排矸道分别与工作面56#、65#支架贯通。

（2）排矸道贯通56#支架后，在排矸道与溜矸道交岔处安设扒装机排矸，冒落矸石从溜矸道下滑到工作面转载机，使用皮带运输至煤仓。因工作面倾角较大，扒装机排矸时，工作面冒顶矸石随之下滑，冒顶区支护按照边排矸边支护边穿顶的方式进行。冒顶区域随着矸石的外排逐渐露出顶板，当顶板外露1m～2m后停止排矸，采用Φ17.8×L6200mm或Φ21.6×L8000mm的钢绞线配双层钢带或工字钢及金属菱形网按照1000×1000mm的间排距支护顶板及两帮，支护顺序为“自上而下，先顶后帮”。顶板及两帮支护完成后，使用工字钢配合圆木及方木进行穿顶支护至直接顶高度。

（3）排矸和穿顶工作完成后，在工作面支架顶梁前方，按照间排距1m×1m打设4.5m单体支柱，支护架前顶板，防止已支护的冒顶区域再次垮落。机道贴帮柱距刮板输送机铲板0.9m～1.2m，保证循环进度煤机正常通行，拉架、推溜顺畅。实行仰斜开采，1-20#支架留底煤减小整体工作面推采角度及工作面下部支架倾斜角度。

结语

（1）工作面发生片帮后，未及时支护引起煤壁子片帮蔓延，大面积空顶为顶板断裂冒顶提供了条件。

（2）相似材料模拟及现场实测证明：大倾角条件下，裂隙块体结构的顶板在倾向均形成咬合的三角拱结构。顶板位移在倾向中部偏下处最大，此处正是拱顶所在位置，上拱脚位于上部三角煤体上方，下拱脚在下部实体煤中并沿着煤层开采推进，下拱脚下沉量极小，而上拱脚在不断动态之中，上拱脚下沉趋势打破了原拱平衡，但由于拱顶、脚落差变大，使拱趋向更易平衡的条件。

（3）大倾角煤层采动后的围岩移动的异常分布，诱导工作面发生片帮、冒顶事故。大倾角综采工作面中部偏上的煤壁上部及深部因“三带”异常分布易产生劈裂区，架前顶板产生压缩变形区。周期来压后，将使劈裂区及压缩变形区进一步扩大，并在老顶断裂处产生拉断区。当周期来压步距和强度较大时，将使煤壁劈裂区、架前顶板压缩变形区和拉断区连通，形成贯通式拉应力区，引发架前大冒顶。

（4）大倾角综采工作面支架失稳、护帮及支撑力不足，极易引起坚硬顶板下滑造成冒顶事故。大倾角工作面支架选型原则必须先是支得起、护的好、稳得住。开采坚硬煤层和顶板的支架，应及时移架，尽量减小端面空顶距，及时控制直接顶断裂和位移。

（5）发生架前大冒顶，应尽量避免搬迁工作面，因搬迁费用高、大冒顶区的围岩不稳定，威胁设备拆除和搬移的安全。在工作面以外掘进溜矸道及排矸巷，按照边排矸边支护边穿顶的方式支护冒顶区域。待排矸和穿顶工作完成后，在工作面支架顶梁前方，打设单体支柱支护架前顶板，保证煤机正常通行，拉架、推溜顺畅。

（6）工作面正常推采后实行仰斜开采减小整体工作面推采角度，1-20#支架留底煤減小工作面下部支架倾斜角度，防止因支架歪斜造成工作面片帮冒顶事故的发生。

参考文献

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