朱 濤，宋 敏，王恩鵬，崔永豐

(1.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013;2.山東水利職業(yè)學(xué)院，山東日照276826)

我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量豐富，其中厚煤層的儲(chǔ)量約占我國(guó)煤炭總儲(chǔ)量的44%［1］。近二十年來(lái)，隨著厚煤層工作面采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)等主要設(shè)備的成功研制，其在很大程度上加快了大采高綜采技術(shù)的發(fā)展。但是，許多專家、學(xué)者和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員通過(guò)大量的理論研究和多年的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn):如果大采高工作面受到節(jié)理、裂隙等較為發(fā)育的破碎煤層影響時(shí)，頂板漏冒的概率加大、工作面支架－圍巖系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，直接導(dǎo)致煤礦的安全生產(chǎn)狀況降低［2］。研究破碎厚煤層工作面端面頂板漏冒機(jī)理與防治，對(duì)該類工作面實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效具有重要的意義。

1 3307工作面概況

山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限公司位于山西沁水煤田的東南部，井田南北長(zhǎng)約16.65km，東西寬約14.8km，面積144.13km2。該礦目前主采3號(hào)煤層，其中3307工作面走向長(zhǎng)度1757.86m，工作面長(zhǎng)度219.75m，煤層厚度為3.4～6.3m，平均厚度為5.6m，煤層傾角1～15°，平均傾角為8°，工業(yè)儲(chǔ)量2.91Mt，可采儲(chǔ)量2.6Mt。3號(hào)煤層及其直接頂巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 3號(hào)煤層及直接頂巖層物理力學(xué)參數(shù)

從表1中可以看出3號(hào)煤層及其直接頂巖層的巖石試樣強(qiáng)度較低，且松散性較大。

現(xiàn)場(chǎng)施工3號(hào)煤層回采巷道和在3307工作面推進(jìn)的過(guò)程中，由于3號(hào)煤層巷道圍巖強(qiáng)度低，節(jié)理、裂隙發(fā)育，且受到斷層、破碎帶、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的影響，圍巖極其破碎，穩(wěn)定性很差，工作面頂板漏冒、煤壁片幫情況嚴(yán)重，如圖1所示。

2 工作面端面頂板結(jié)構(gòu)模型的建立

在工作面采場(chǎng)－圍巖的關(guān)系中，端面頂板的漏冒控制是一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容，尤其是破碎厚煤層工作面端面頂板漏冒控制的重要性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于綜放工作面或普采高端面頂板。通過(guò)對(duì)晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)公司3307工作面端面頂板漏冒現(xiàn)象的觀測(cè)，構(gòu)建了破碎厚煤層工作面端面頂板的“塊體”結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

圖1 3307工作面頂板漏冒情況

在該模型中，C類塊體位于圖2所示“塊體”結(jié)構(gòu)模型的最下部，完全出露;B類塊體位于該結(jié)構(gòu)模型的偏中下部，則是大部分出露;A類塊體位于該結(jié)構(gòu)模型的上部，完全或只有少部分出露。

圖2 破碎厚煤層工作面端面頂板結(jié)構(gòu)模型

破碎厚煤層工作面端面頂板漏冒實(shí)際上是“塊體”結(jié)構(gòu)頂板的失穩(wěn)破壞，其失穩(wěn)破壞有2種形式:一種是在各種載荷作用下“塊體”的脫落失穩(wěn)破壞;另一種是“塊體”沿著結(jié)構(gòu)裂隙面所發(fā)生的剪切滑移失穩(wěn)破壞。這兩種破壞形式均可以運(yùn)用塊體理論對(duì)端面頂板的漏冒進(jìn)行詳細(xì)的分析［3－4］。

3 工作面端面頂板結(jié)構(gòu)的漏冒機(jī)理

“塊體”結(jié)構(gòu)頂板的失穩(wěn)破壞首先產(chǎn)生在C類塊體上，C類塊體可以認(rèn)為是有限可動(dòng)塊體，當(dāng)C類塊體喪失承載能力產(chǎn)生失穩(wěn)后，其所承受的載荷就會(huì)轉(zhuǎn)移至B類塊體上，此時(shí)B類塊體在載荷的作用下也喪失了承載能力，繼而產(chǎn)生失穩(wěn)破壞［5－6］。由于此類效應(yīng)的連鎖反應(yīng)，A類塊體最終也產(chǎn)生了失穩(wěn)破壞，發(fā)生工作面端面頂板的連續(xù)漏冒。

根據(jù)上述分析，構(gòu)建了A，B類塊體的力學(xué)分析圖，如圖3所示。

圖3 A，B類塊體力學(xué)分析

根據(jù)圖3所示的模型，A類塊體位于圖2所示“塊體”結(jié)構(gòu)模型的上部，則有y≤L/2。B類塊體位于該結(jié)構(gòu)模型的偏中下部，則有y＞L/2。為了計(jì)算方便起見(jiàn)，假設(shè)A，B類塊體與C類塊體之間的凝聚力C為0［4］，則A，B類塊體任意橫截面上所受到的剪應(yīng)力Q(y)為:

式中，qy為A，B類塊體所受到的豎向載荷;a為A、B類塊體的邊長(zhǎng);y為從坐標(biāo)原點(diǎn)O到任意橫截面的距離;L為A，B類塊體沿y軸線的長(zhǎng)度;θ為A，B類塊體兩邊的夾角。

A，B類塊體在任意截面上的彎矩M(y)為:

A，B類塊體任意截面上的最大拉應(yīng)力σ(y)max為:

式中，Jz為A，B類塊體任意截面的慣性距;對(duì)于圖3所示的截面為A，B類塊體的厚度。

當(dāng)A，B類塊體任意截面上的最大拉應(yīng)力σ(y)max大于或等于其抗拉強(qiáng)度σt時(shí)，則A，B類巖塊就會(huì)產(chǎn)生破斷。

由式(3)可知，A類塊體破斷的因素主要與塊體的抗拉強(qiáng)度σt、塊體上方的載荷qy、挾持端外的長(zhǎng)度y、以及塊體的厚度H有關(guān)，而與塊體的邊長(zhǎng)a和塊體兩邊的夾角θ無(wú)關(guān)。而B(niǎo)類巖塊破斷的影響因素不僅與A類塊體破斷的因素相同，其同時(shí)還與塊體的邊長(zhǎng)a和塊體兩邊的夾角θ有關(guān)。這樣就可以根據(jù)不同塊體的出露端長(zhǎng)度、厚度和塊體的抗拉強(qiáng)度等已知條件計(jì)算出A，B類塊體產(chǎn)生破斷時(shí)所需的豎向載荷qy。

由(4)式可知:A類塊體和B類塊體相比，在產(chǎn)生破斷時(shí)，B類塊體所需的豎向載荷小。因此，如果在相同載荷qy的作用下，B類塊體在端面產(chǎn)生破斷的可能性則較大。當(dāng)B類塊體破斷成C類塊體后，原來(lái)由B類塊體所承受的載荷會(huì)轉(zhuǎn)移到A類塊體上，A類塊體在新的載荷作用下產(chǎn)生破斷。相同的破斷過(guò)程引起連鎖反應(yīng)，即“塊體”不斷產(chǎn)生脫落失穩(wěn)破壞或滑移失穩(wěn)破壞，從而造成工作面端面頂板的冒落。

4 防治工作面端面頂板漏冒的措施

就晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)公司3307工作面開(kāi)采而言，由于該工作面內(nèi)斷層、節(jié)理、裂隙、褶曲、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造極其發(fā)育，加上煤質(zhì)本身破碎、采高大，工作面煤壁片幫嚴(yán)重，很容易形成大范圍的空頂，進(jìn)而造成工作面端面頂板的漏冒。因此，如何對(duì)3307破碎厚煤層工作面端面頂板采取有效措施，防止端面頂板發(fā)生漏冒事故是實(shí)現(xiàn)該工作面安全高效開(kāi)采的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

通過(guò)對(duì)破碎厚煤層工作面端面頂板結(jié)構(gòu)的漏冒機(jī)理分析，防治3307工作面端面漏冒的關(guān)鍵是防治C類塊體喪失承載能力而產(chǎn)生的失穩(wěn)，主要措施是:

加強(qiáng)液壓支架初撐力的管理 破碎煤層大采高綜采液壓支架受到的載荷主要是靜載荷，這部分載荷來(lái)自于直接頂?shù)淖灾?，即A，B和C類塊體的自重。C類塊體不喪失承載能力，則必須應(yīng)用液壓支架的初撐力予以承擔(dān)直接頂?shù)淖灾?。所以加?qiáng)對(duì)液壓支架密封膠圈和供液管路的管理，保證液壓泵站能夠提供足夠的初撐力［7－8］。安設(shè)液壓支架初撐力保持閥，使液壓支架實(shí)際初撐力達(dá)到設(shè)計(jì)的初撐力。同時(shí)要做到液壓支架不竄液、不漏液、不自動(dòng)卸載。

液壓支架采用二級(jí)護(hù)幫板護(hù)幫 根據(jù)塊體理論，圖2中端面頂板C類塊體是有限且可動(dòng)的［4］。要使C類塊體處于平衡狀態(tài)，滑動(dòng)面上的切向下滑力一定要小于摩阻力。通過(guò)對(duì)3307工作面端面頂板漏冒的形式分析，重力滑落式漏冒最為常見(jiàn)。如果ZY12000/28/62D型液壓支架護(hù)幫板給工作面上部煤壁一個(gè)垂直于煤壁的力N，則會(huì)在很大程度上阻止端面頂板的冒漏。可見(jiàn)，在破碎厚煤層綜采的條件下，最大可能地提高支架護(hù)幫板的使用率。

及時(shí)支護(hù) 如果工作面端面頂板應(yīng)力集中嚴(yán)重，C類塊體在上部A、B類塊體自重和應(yīng)力集中作用下極易產(chǎn)生漏冒，所以液壓支架要及時(shí)支護(hù)，最大可能地減小工作面端面頂板的應(yīng)力集中。同時(shí)必須堅(jiān)持超前拉架并打出護(hù)幫板，移架要盡量做到快拉、少降、快升，以保證及時(shí)支護(hù)頂板。

改進(jìn)工作面設(shè)備操作技術(shù) 在3307工作面，要采用先拉架后推刮板機(jī)的方法，使液壓支架頂梁頂住工作面煤壁，禁止工作面留頂煤，支架必須接頂。當(dāng)3307工作面出現(xiàn)大采高液壓支架歪倒、咬架等現(xiàn)象時(shí)，要及時(shí)對(duì)液壓支架進(jìn)行調(diào)整。

提高圍巖強(qiáng)度 由于3307工作面地質(zhì)條件極其復(fù)雜，特別是當(dāng)工作面通過(guò)斷層、破碎帶和頂板來(lái)壓時(shí)要及時(shí)對(duì)煤壁和頂板進(jìn)行加固［5］，通過(guò)提高“液壓支架－工作面煤壁－直接頂”的整體強(qiáng)度來(lái)使A，B和C類塊體不會(huì)滑動(dòng)而處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)頂板比較破碎時(shí)，可以采用瑪麗散加固方法或其他固化方法對(duì)頂板固化。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)根據(jù)破碎厚煤層工作面開(kāi)采時(shí)的端面頂板巖層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建了工作面端面頂板的結(jié)構(gòu)模型。

(2)在分析“塊體”結(jié)構(gòu)頂板失穩(wěn)破壞形式的基礎(chǔ)上，又對(duì)破碎厚煤層工作面端面頂板失穩(wěn)破壞進(jìn)行了力學(xué)分析，揭示了工作面端面頂板漏冒的機(jī)理和動(dòng)態(tài)過(guò)程，即:C類塊體失穩(wěn)→載荷轉(zhuǎn)移至B類塊體→B類塊體失穩(wěn)→載荷轉(zhuǎn)移至A類塊體→A類塊體失穩(wěn)→整個(gè)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)→工作面端面頂板發(fā)生漏冒。

(3)通過(guò)對(duì)3307工作面端面頂板穩(wěn)定性的分析，給出了該工作面防治端面頂板漏冒的主要措施。

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