大倾角大采高综采面覆岩移动特征及顶板稳定性控制

张国红，吴 鑫，吴洪胜，董立军

(1.中海油新能源(准格尔)煤基能源有限公司，内蒙古 准格尔旗 010300；2.重庆松藻煤电有限责任公司石壕煤矿，重庆 401449)

大倾角大采高煤层开采技术目前的发展水平远低于缓倾斜煤层，存在着一系列难以解决的技术问题[1-5]。如支架稳定性、顶板稳定性控制等问题，还需根据不同的地质条件改进更为合理的控制技术。大倾角煤层采用大采高综采采煤方法旨在安全生产的前提下，提高资源回采率，实现高产高效[6-8]。某矿3上509工作面使用ZY6600-25.5/55型大型液压支架、MG650/1480-WD采煤机等大型配套综机设备，采用大采高一次采全厚综采工艺，虽然突破原有技术水平，提高了资源回采率，但在大倾角大采高复杂地质条件下，工作面顶板的整体稳定性控制仍然在很大程度上影响着安全高产高效目标的实现。因此，开展大倾角大采高综采覆岩移动特征及顶板控制技术的研究非常必要。本文针对某矿的具体条件，分析大倾角大采高在不同倾角下综采采场覆岩移动特征及其矿压显现规律，进而对顶板稳定性控制技术进行研究，并提出较为有效的控制措施。对同类开采技术条件的矿井具有指导借鉴意义。

1 工作面地质条件

某矿3上509工作面所采煤层为二叠系山西组3上煤层，煤层总体为一单斜构造，煤层厚度基本稳定，根据钻孔资料及两道、切眼实际揭露，煤层厚度最小3.75m，最大6.2m，平均5.5m。煤层倾角最小12°，最大31°，平均19°左右，局部煤层含有一层夹矸，厚度0.3m左右，煤层结构属于复杂。煤层硬度f=1.5。工作面倾斜长度220m。煤层顶板：伪顶为泥岩，厚度为0.4m，直接顶为粉细砂岩，平均在10.4m。上下之间的岩柱最小2.6m，最大6.2m，平均4.4m。底板上部为泥岩，下部为粉砂岩。

2 覆岩移动数值模拟研究

以3上509工作面地质条件建立数值计算模型，为充分考虑煤层开采后，上覆岩层沿工作面走向的垮落、变形状况，本模拟根据高庄矿的围岩条件建立了沿工作面倾向的两个不同倾角的模型，两个模型的倾角分别为25°、35°。煤层及其顶底板岩层力学性质参数如表1所示。

表1 煤层及其顶底板岩层力学性质参数

模型在进行初步的试运算后，根据运算情况在煤层的顶板距煤层10.7m处设置监测线(煤层顶板上方距煤层10.7m处为老顶底部)，工作面倾向模型选用一次开挖，采高5.5m。

2.1 倾向(倾角25°时)数值模拟结果

倾向(倾角25°)模型模拟工作面开采后，相关模拟结果与计算结果如图1～2所示。

如图1所示，模拟得到了3上509工作面开采后的覆岩破断及其变形状况。综合考虑应力、位移和塑性区的分布状况，可以得出3上509工作面开采后沿工作面倾向的两带高度约59～63m(图1(f)可以比较直观的判断出顶板围岩塑性区高度约60m，为采高的12.5倍)。

由图1(c)可知，工作面下端头处实体煤应力集中程度较大，而上端头实体煤应力得到一定的释放集中程度较小。即因为上端头覆岩应力的释放，工作面上端头往往矿压显现较为剧烈。

由图1(e)可知，工作面开挖后，顶板水平位移较大，而垂直位移较小，即在大倾角条件下，覆岩水平位移较大，顶板水平方向的移动，产生较大的水平侧向应力，给支架稳定性带来巨大的威胁。

由图2可知，大倾角条件下，工作面开采后覆岩垮落状况与近水平条件下覆岩垮落状况有着很大的差别。近水平条件下覆岩水平位移较小，只集中在上覆岩层局部的一些区域。而大倾角条件下覆岩水平位移值都很大(覆岩水平位移较大，表明覆岩水平应力即顶板侧向应力较大)，相反垂直位移则较小。

倾向(倾角25°)模型岩层监测线的变形量如表2所示。根据软弱隔水岩层的临界水平变形值为2～3mm/m，由表2可知，工作面上方10.7m处顶板水平变形值为49.3mm/m，表明工作面上方距煤层10.7m处顶板处于两带之中。

表2 倾向(倾角25°)模型岩层变形量

2.2 倾向(倾角35°时)数值模拟结果

倾向(倾角35°)模型模拟工作面开采后，相关模拟结果与计算结果如图3所示。

倾角为35°时的模型数值模拟结果显示，工作面开采后沿工作面倾向的两带高度约62～68m，顶板围岩塑性区高度约65m，为采高的13倍。工作面倾角为35°比倾角为25°时两带高度有所增加。倾角为35°时，工作面采用大采高采煤工艺(采出厚度5.5m)，围岩垂直应力、水平应力均呈现较大的集中，工作面矿压显现剧烈。

图1 3上509工作面开采后的模拟结果(倾角25°)

图2 3上509工作面顶板上方10.7m处的变形

图3 3上509工作面开采后的模拟结果(倾角35°)

对比工作面倾角为25°时模型的应力、位移分布情况，覆岩水平应力明显增大。即当工作面倾角增大以后，工作面侧向应力大幅增加，给工作面支架的防滑防倒带来困难。由图3(e)可知，直接顶水平位移较大，底板有较小底鼓，但水平位移很小。直接顶与底板水平位移的差异，造成底板-支架-顶板运动的不一致，对支架稳定性带来很大的威胁，而且对于控制顶板稳定性也带来一定困难。

对比工作面倾角25°时的变形监测值，工作面倾角为35°时，随着工作面的开挖，上覆岩层两带高度增大，顶板受采动影响波及范围更广，顶板垂直位移(覆岩下沉值)，水平位移都有所增加，易冒顶或片帮，对于控制顶板带来一定困难。

倾向倾斜(倾角35°)模型岩层监测线的变形量如表3所示。

表3 倾向(倾角35°)模型岩层变形量

由表3可知，工作面倾角35°比倾角25°水平位移出现了较大的增幅，即大倾角条件下，随工作面倾角的增加，底板-支架-顶板运动不一致的情况将更为严重，因此大倾角工作面顶板控制对支架的稳定性要求更高。

某矿3上509临近工作面3上503工作面(采用综采放顶煤开采工艺；已采)观测试验的最大导水裂缝带高度为55.9m。对比临近工作面现场实测情况，由于大采高采煤工艺比放顶煤采煤工艺采出率的增加，使其两带高度有所增大。但总体上差异不大，说明数值模拟的模拟结果可信。

3 大倾角大采高支架与顶板关系分析

煤层倾角是影响采场矿山压力的主要因素之一。大倾角综采面顶板受支承压力的作用和重力沿倾斜方向的分力作用而变形破坏，其综采面顶板移动轨迹是一条逐渐接近重力作用方向而非法线方向的曲线[9]。顶板越不稳定，其移动曲线偏离法线越远。如图4、图5所示，顶板移动的法向分量对支架产生垂直作用力，有利于支架的稳定。顶板移动的切向分量对支架产生侧向力，导致支架倾倒。由于随倾角增加，重力的切向分力增大，而法向分力减小，使得顶板移动对支架产生垂直作用力减小，而引起支架失稳的侧向力变大。因此，提高支架的工作阻力对有效的控制顶板作用不大，关键是提高支架的稳定性。

图4 工作面整体模型

图5 工作面整体支架力学模型

同时，由上述数值模拟分析可知，工作面倾角增大后，上覆岩层两带高度也随之增大，两带的重力作用在工作面顶板的压力增大，因而重力的切向分力增大，很大程度上又加大了保持支架稳定的难度。

大采高综采面随采高的增大，不仅使工作面顶板活动空间与老顶悬臂梁结构的弯距加大，使工作面压力加大(较一般综采面高10%～30%)，而且工作面上覆岩层垮落带及裂隙带高度加大，使采场采动影响波及范围增大，很容易发生冒顶或片帮。支架在冒顶后失去上部约束，在大倾角的情况下极易倾倒，支架倾倒后工作状况和承载特性的下降又使工作面顶板出现进一步冒落。

因此，支架与围岩是相互作用相互影响的，围岩的运动状态影响支架的工作状况和承载特性，而支架的工作状况又反过来影响到对顶板的维护效果[10]。

4 大倾角大采高工作面顶板稳定性控制

根据上述覆岩移动特征的数值模拟结果及支架与顶板关系分析，针对3上509工作面具体条件，采取顶板稳定性的控制措施效果显著，主要有以下方面。

1) 根据已开采的西五采区工作面矿压观测资料，煤层顶板老顶来压明显，直接顶为二类顶板，工作面伪顶为0.4m的泥岩，随采随冒。顶板来压时，最大支护强度为735kN/m2。3上509工作面的顶板管理采取全部垮落法，工作面共配置154架液压支架，对工作面的顶板实行全支护法管理。液压支架要尽量适应顶板的曲线移动轨迹，因而对液压支架的要求是：支架设计伸缩梁，确保在采煤机过后能够及时维护架前顶板；支架顶梁采用整体顶梁，尽量使顶梁受力均匀；支架采用进口密封圈、采用不锈钢液压阀、提高液压缸的加工精度和结构件的强度等方面来提高支架的可靠性。

2) 工作面正常工作时，采用追机移架的方式对顶板进行及时支护。采用带压移架的方式进行移架，正常移架滞后采煤机滚筒3～4架，不超过6m。

①煤机进刀，向上下正常割煤时，自下(上)而上(下)滞后煤机后滚筒3～4架移架；②采煤机割煤并移架后要及时伸出护帮板进行支护，防止煤壁片帮冒顶；③采煤机割煤时，超前采煤机前滚筒3架将护帮板收回，并滞后采煤机后滚筒3架将护帮板伸出。④由图1(c)可知，工作面下端头处实体煤应力集中程度较大，而上端头实体煤应力得到一定的释放集中程度较小。因此，要加强上、下端头顶板管理，提高支护质量，适当加大支护密度，确保端头头支架铺设顶网与巷道顶网搭接0.5m以上，防止出现端头冒顶，加强端头顶板管理；⑤3上509工作面倾角最大达到31°，支架采高较大(采高5.5m)，而支架支护宽度仅1.5m，造成支架极易向机头方向歪斜。因此，在移架过程中，改变原有的追机移架为机头向机尾单向移架，利用支架侧护板及时调整支架架向，保证支架的垂直度在正负50°范围内。⑥工作面压力

大、煤层顶板破碎时，支架紧跟前滚筒移架或及时超前移架或用木料接顶，杜绝大型顶板事故的发生；当发现片帮严重时，在采煤机进行割煤之前，就超前移架，及时支护煤壁。

3) 在支架底座增设底调可以增加工作面整体的稳定性，各个支架通过底调连接在一起，共同支撑着顶板来压时产生的侧向压力；充分利用支架侧护板千斤顶、侧推弹簧使支架顶梁相互靠紧、没有间隙，避免支架的歪斜、倾倒，进而更好的控制顶板。在邻架顶梁间增设调架千斤顶，当支架出现倾倒时，以支撑顶板的相邻支架作支点，用千斤顶调整该支架位置。

4) 顶板-支架-底板运动的不一致，给支架倾倒带来较大威胁。解决其较为有效的方法是在顶梁与顶板之间增设金属网，因金属网与支架间的摩擦系数较小，支架与顶板间只存在支撑作用而几乎没有摩擦力的作用。其效果在于释放了顶板下滑的能量、增强了支架的稳定性，对顶板支护效果更为明显。

[1] 林忠明，陈忠辉，谢俊文，等.大倾角综放开采液压支架稳定性分析与控制措施[J].煤炭学报，2004(6)：264-268.

[2] 张琳.大倾角复杂地址条件安全高效综放开采技术研究[D].徐州：中国矿业大学，2006.

[3] 龚宇，阎海琴.大倾角工作面液压支架的稳定性分析及防倒防滑措施[J].煤矿机械，2006(10)：86-88.

[4] 方伯成.大倾角工作面矿压显现分析[J].矿山压力与顶板管理，1995(3)：26-30.

[5] 蔺海山，张国华，蒲文龙.大采高矿压显现规律与围岩控制技术研究[J].山东煤炭科技，2009(2)：135-137.

[6] 张东升，徐金海.矿井高产高效开采模式及新技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[7] 王永东，田银素.大采高液压支架使用中存在的问题与对策[J].煤炭科学技术，2002(1)：47-49.

[8] 吴鑫.大倾角大采高综采支架与顶板稳定性研究[D].徐州：中国矿业大学，2010.

[9] 章之燕.大倾角综放液压支架稳定性动态分析和防倒防滑措施[J].煤炭学报，2007(7)：705-709.

[10] 钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.