大倾角复合顶板失稳机理及控制研究

吕玉磊 白俊杰 石义恒

（1.中国矿业大学，江苏 徐州 221116；2.中煤西北能源公司乌审旗蒙大矿业，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

新集二矿工作面具有倾角大、采高大、复合顶板易离层垮落及煤体松散等特点，工作面推采过程中出现大面积片帮冒顶，片帮深度8 m 左右，冒顶高度10 m 左右。因此需要对大倾角复合顶板制定针对性控制措施，防止发生顶板事故[1-5]。根据大倾角工作面顶板及围岩稳定性处理经验[6-7]，传统处理空顶区的方法劳动强度高，工作量大，施工速度慢，并且部分顶板与围岩控制技术在矿井中使用受限制。因此，提出了大倾角复合顶板控制措施，以求保障大倾角复合顶板工作面安全快速回采。

1 复合顶板垮断特征及力学分析

新集二矿大倾角复合顶板工作面属于松软煤层工作面，煤层平均倾角35°，平均厚度3.6 m。在工作面生产过程中出现片帮和漏顶现象，工作面倾斜方向不同部位支护系统的稳定性差异较大，顶板大面积抽冒等问题已经严重制约了安全高效开采。

1.1 复合顶板破断与垮落特征

通过对比近水平单层坚硬顶板和复合顶板的垮落特征（如图1）发现：相较于坚硬顶板，煤矸复合顶板下工作面顶板的初次破断较小，采空区两侧岩层的垮落角也较大，顶板悬露距离较小。单层坚硬顶板的破断垮落特征已无法充分指导复合顶板工作面安全生产，需对复合顶板的破断规律、机理进行分析。

图1 顶板破断特征对比（m）

由煤线、泥岩等岩层组成的复合顶板具有垮落块度小、易于破碎的特征，在大倾角赋存条件下，造成工作面倾斜方向应力和位移非对称性更强。

1.2 复合岩梁顶板受力分析

根据复合顶板的概念，建立大倾角工作面复合岩梁顶板力学模型，如图2、图3 所示。假设各岩层均为连续体且各向同性，层间没有摩擦力且属于平面应变模型。复合岩梁的受力分析是在对单一均值岩梁受力分析的拓展，复合顶板破坏多为拉破坏，因而着重分析最大拉应力对复合岩梁的破坏，以此进一步分析大倾角工作面复合岩梁顶板的破坏特征。

图2 复合岩梁顶板受力模型

图3 复合岩梁所受载荷分析

复合岩梁抗弯截面模量为：

复合岩梁中的应力为：

式中：k为复合岩梁分层系数。根据材料力学相关知识可知：

在挠曲变形过程中，复合岩层具有相同的变形曲率，即：

式中：ρ为复合岩梁的曲率半径；M1、M2、M3、M4分别表示各岩层的弯矩；E1、E2、E3、E4分别表示复合岩层的弹性模量；I1、I2、I3、I4分别表示复合岩层的惯性矩。

复合顶板岩梁的弯矩之和为：

联立式（2）～（5）可得：

复合岩梁在垂直载荷作用下各岩层下侧的最大拉应力为：

复合顶板发生挠曲变形时，除复合岩梁垂直载荷作用外，还受轴向载荷作用，则复合岩梁轴向应力为：

则复合顶板叠加岩梁在垂直载荷和轴向载荷共同作用下的应力分布为：

由式（9）可知，复合叠加岩梁在地应力作用下各岩层表现出不同的应力集中现象与变形破坏，复合叠加岩梁在垂直载荷和轴向载荷作用下产生拉应力，并发生挠曲变形，特别是在轴向应力作用下加剧了复合顶板挠曲变形破坏。

当[σimax]≥[σ]时，表示大倾角工作面复合岩层的最大拉应力超过了其岩层的容许应力，复合顶板发生失稳破坏；反之，当[σimax]＜[σ]时，大倾角工作面复合顶板稳定。

通过对复合顶板岩梁受力分析可知：（1）大倾角工作面复合顶板岩层的应力随弹性模量的增大而增大，随工作面长度的增大而增大，随复合顶板分层厚度增大而减小，随煤层倾角的增大而减小。

（2）当大倾角工作面复合顶板厚度一定时，分层数越多复合顶板抗弯截面模量以及惯性矩越小，最大拉应力越大，从而导致复合顶板在较低的应力作用下会发生失稳破坏；（3）大倾角工作面复合顶板各岩层的差异性大，在垂直应力和轴向应力作用下，软弱夹层更容易发生破坏。

在地质赋存条件不可变的情况下，为保证工作面开采过程中复合顶板的稳定性，可采用注浆加固的方法提高顶板分层的弹性模量、降低工作面长度和降低工作面倾斜程度（伪斜布置）等方法来提高顶板的稳定性。

2 工作面复合顶板破断冒落灾变过程演变

2.1 工作面顶板漏冒机理

工作面复合顶板岩性松散，胶结性差，但直接顶赋存相对完整，硬度相对较大，从而增加了顶板控制的难度。掘进工作面顶板施工冒顶过程如图4。

图4 工作面开采推进中冒顶过程示意图

在回采过程中，工作面顶板支承压力随着周期来压的出现显著增大，工作面直接顶在悬顶距离增加的同时受支架的强力支撑作用在支架上方采空区侧断裂，如图4（a）；随着工作面的推进，悬顶状态的基本顶压力全部作用在直接顶上，完整的复合顶板在上覆岩层的作用下被挤压破碎，如图4（b）；随着基本顶控顶距不断增加，应力也随之增大，达到最大控顶距后断裂坍塌，复合顶板因压力过大而全部破碎，此时容易导致作业空间漏顶，如图4（c）。此时，如控制不及时，在复合顶板相对较厚的区域，容易导致大面积漏面事故发生。

2.2 冒顶主要影响因素分析

（1）煤层倾角。工作面开采时，由于大倾角和重力作用，破碎的复合顶板在推移架过程中向工作面下部滑动，有增大发生大顶板事故的风险。

（2）地质赋存条件。断层构造受地层的横向挤压超过地层的承受力，沿滑动面产生相对位移，在滑动的过程中形成一个大范围的破碎带。当工作面揭露断层时容易发生煤壁片帮，甚至大面积冒顶。

（3）生产管理水平。在大倾角复合顶板煤层开采过程中，若生产管理不严格，可能导致煤矸石泄漏，若不及时采取控制措施，落矸将会击碎煤壁，形成流矸通道，造成顶板顶部和采区侧的煤矸石从前梁处不断坍塌，增加生产作业危险性。

3 工作面顶板稳定控制方法

3.1 正常回采时顶板控制方法

工作面回采期间采用全部垮落法管理顶板，采空区顶板随支架前移自行垮落充填采空区，工作面最大控顶距5175 mm，工作面最小控顶距4375 mm，移架步距800 mm，如图5。

图5 工作面平面布置图（mm）

（1）为确保回采期间煤壁和顶板完整，工作面回采过程中在工作面回风巷、运输巷施工煤层钻孔，利用钻孔向煤体注浆，提高煤壁及顶板完整性。

（2）工作面割煤时，及时“带压擦顶”移架支护顶板，并及时打开护帮板抵住煤帮，护帮板打开滞后采煤机后滚筒不得超过15 m。

（3）当工作面因初次（周期）来压、顶板破碎影响推进速度时，必须及时超前拉架或提前伸出支架前探梁、护帮板管理顶板，确保割煤期间顶板完好。

（4）移架时，液压支架工严格按操作规程操作。移架结束后，要持续供液3～5 s，保证支架初撑力不低于24 MPa。

（5）保证两巷超前支护的单体托棚（铰接顶梁）液压单体初撑力，确保支柱、顶梁完好，失修、失效的支柱、顶梁要及时进行更换。

3.2 特殊时期顶板管理与控制方法

（1）工作面来压及末采期间顶板控制

① 初次来压结束前及周期来压期间，如工作面上、下隅角压力显现明显时必须增打密集单体支柱（即在切顶线处施工切顶单体加强支护，切顶单体间距1.0 m），对漏液、失效液压单体及时补压或更换。密集支护单体随回采前移，直到来压结束。

② 因初次（周期）来压、巷道变形破坏等原因，工作面两巷超前压力显现较大时，要及时在受采动影响区域增加超前支护单体密度，或增打单体托棚（铰接顶梁）加强支护强度。

③ 工作面推进至距停采线20 m 时，开始逐步降低采高，距停采线12 m 时将采高降至3.0 m 以下，并加强工作面顶板管理，确保顶板条件良好。

（2）工作面受地质构造区影响区域顶板控制

① 工作面过断层时，根据断层落差等产状要素和煤层起伏变化情况调整回采层位，对过渡区域顶板采取提前破顶措施，保证支架对顶板的支护效果。

② 根据工作面破岩程度控制采高，当工作面破矸较多或煤层较薄需破底时，将采高降至3.0 m以下。

③ 工作面顶板破碎时，必须及时带压超前擦顶移架支护顶板，保持支架顶梁与顶板接触良好。

④ 移架时确保相邻支架保持错茬不大于顶梁侧护板高度的2/3，支架处于不挤不咬不倒的良好状态，并保证支架初撑力达到24 MPa。

⑤ 若工作面出现超前严重片帮、冒顶危险时，应及时降低工作面采高，并采取超前煤壁架棚措施保证顶板安全。

4 结论

根据大倾角赋存条件，在分析了复合顶板垮断特征和研究了灾变过程基础上，提出了顶板稳定控制方法，保障了大倾角复合顶板工作面的安全开采。