張智巍

（山西焦煤西山煤電集團(tuán)西曲礦， 山西　古交　030200）

1　工程概況

某礦S2108工作面標(biāo)高+419～+445 m，埋藏深度518～548 m，采高3.2 m，煤層平均厚度5.6 m，煤層厚度變化不大，屬較穩(wěn)定煤層，直接頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，強(qiáng)度較低。工作面采用走向長壁、后退式大采高低位放頂煤一次采全高全部垮落式綜合機(jī)械化采煤法。根據(jù)直接頂初次垮落步距為8～15 m，老頂初次垮落步距為30～45 m，周期來壓步距為10～15 m，選用ZF8000/20/38型支撐掩護(hù)式支架支護(hù)頂板。

在煤礦綜采工作面推進(jìn)過程中，端面冒頂會影響工作面正常生產(chǎn)循環(huán)，影響綜采面生產(chǎn)效率[1]。S2108工作面直接頂厚度1.10～1.70 m，節(jié)理裂隙發(fā)育完全，整體性差，易發(fā)生端面頂板的破碎和冒落。本文以某礦S2108工作面為研究對象，分析工作面端面頂板冒落失穩(wěn)規(guī)律，結(jié)合支架與圍巖相互作用關(guān)系，提出工作面端面頂板穩(wěn)定性控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綜采面的安全高效開采。

2　工作面端面頂板的失穩(wěn)規(guī)律分析

2.1　數(shù)值計(jì)算模型的建立

根據(jù)某礦S2108工作面煤層地質(zhì)和開采技術(shù)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，并對其進(jìn)行模擬分析[2]。由于該工作面直接頂節(jié)理裂隙發(fā)育完全，決定采用多節(jié)理材料本構(gòu)模型模擬分析定義幾何形狀和材料參數(shù)，構(gòu)建殼型結(jié)構(gòu)單元模擬支架頂梁，將殼型構(gòu)件的邊沿使用塑性鉸接完成對支架前后支柱的模擬，利用殼結(jié)構(gòu)單元來模擬支架與圍巖的相互作用關(guān)系。此模擬方式能夠全面、系統(tǒng)地反映S2108工作面開采頂板應(yīng)力場分布規(guī)律和破壞場分布規(guī)律，為提高端面頂板支護(hù)強(qiáng)度提供重要的數(shù)據(jù)指導(dǎo)[3]。具體模擬方案如下：

1）設(shè)置相關(guān)參數(shù)，對S2108工作面進(jìn)行建模，分析頂板應(yīng)力分布規(guī)律。

2）改變選型液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度參數(shù)，分析支架工作阻力為 2 400 kN、4 000 kN、5 600 kN、6 400 kN、7 200 kN和8 000 kN時工作面端面頂板應(yīng)力分布規(guī)律。

3）改變支架前后工作阻力參數(shù)，分析不同參數(shù)時支架受力狀態(tài)以及端面頂板的控制效果。

2.2　工作面頂板應(yīng)力分布規(guī)律

通過模擬，得到支架支護(hù)條件下工作面頂板最大主應(yīng)力場與破壞場分布情況，如圖1所示，以此為依據(jù)分析工作面頂板應(yīng)力場變化規(guī)律、破壞場分布規(guī)律。

圖1　支護(hù)條件下工作面端面頂板最大主應(yīng)力場與破壞分布情況

所選支架ZF8000/20/38的額定工作阻力為8 000 kN，分析圖1，在液壓支架額定工作阻力范圍內(nèi)，工作面支架上方頂板以及煤壁前方頂板穩(wěn)定性較強(qiáng)，不易出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，但工作面煤壁前方頂板中會出現(xiàn)塑性破壞區(qū)域，破壞形式主要為壓剪破壞。

2.3　支架工作阻力對端面控頂?shù)挠绊?/h3>

工作面支架工作阻力是影響端面頂板控制的重要因素，支架與圍巖系統(tǒng)相互作用導(dǎo)致端面頂板的失穩(wěn)破壞。通過分析不同支架阻力對端面頂板的控制效果可知：當(dāng)支架工作阻力較小時，破壞了頂板的完整性；當(dāng)支架工作阻力較大時，發(fā)生冒頂概率較大。

根據(jù)模擬結(jié)果參數(shù)計(jì)算得出工作面端面頂板受拉力巖體高度與支架工作阻力之間的關(guān)系曲線，確定工作面推進(jìn)過程中工作阻力較為合理，進(jìn)一步了解工作面端面頂板的破壞程度與支架工作阻力之間的關(guān)系[4]。分析相關(guān)曲線可知，端面頂板穩(wěn)定性隨著支架支護(hù)阻力的增大而增大，當(dāng)控制支架工作阻力達(dá)到額定工作阻力的80%以上時，能夠保證端面頂板的支護(hù)強(qiáng)度。

2.4　支架前后柱工作狀態(tài)對端面控頂?shù)挠绊?/h3>

支架前后柱工作阻力影響端面頂板和支架頂梁的穩(wěn)定性，本文以ZF8000/20/38支架為原型，通過改變支架前后柱工作阻力比值，分別為0.81、0.92、1.22、1.37，分析支架頂梁應(yīng)力分布特點(diǎn)以及支架與圍巖的變形特點(diǎn)。通過計(jì)算可知，當(dāng)支架前柱工作阻力小于后柱阻力時，支架后部承受頂板壓力較大，不利于支架的穩(wěn)定；當(dāng)支架前柱工作阻力大于后柱阻力時，有利于支架的穩(wěn)定。另外，隨著工作阻力比值的不同，在某區(qū)域出現(xiàn)一分界點(diǎn)，此處支架頂梁上方頂板壓力保持不變。

通過分析可知，在支架工作阻力不變的條件下，支架頂梁前端頂板壓力隨支架后柱阻力的增大而減小，這表明支架對前端頂板承壓較大，易破壞頂板完整性，不利于頂板的控制，易造成冒頂事故，影響工作面生產(chǎn)效率。

當(dāng)支架前柱工作阻力大于后柱工作阻力時，支架頂梁前端頂板壓力較大，端面頂板控制效果較好，有利于支架的穩(wěn)定。考慮到支架后方頂板的良好控制，取支架前后柱工作阻力比為1∶1.2能同時滿足支架后方頂板的有效支護(hù)。因此，在確保支架工作阻力為額定工作阻力80%以上的情況下，合理的前后柱工作阻力比為1∶1.2。

3　工作面端面頂板穩(wěn)定性控制技術(shù)

支架與圍巖相互作用導(dǎo)致支架前方頂板破碎失穩(wěn)，進(jìn)而造成綜采面端面冒頂[5]。通過分析S2108工作面端面頂板穩(wěn)定性的主要影響因素，從優(yōu)化工作面回采順序，合理控制推進(jìn)速度以及液壓支架的質(zhì)量監(jiān)控等方面入手，提出S2108工作面端面頂板穩(wěn)定性的控制技術(shù)。

1）改善綜采面支護(hù)方法。采用注漿法支護(hù)頂板，保證了工作面圍巖的整體性，制定合理的支護(hù)方案，一旦工作面發(fā)生冒頂事故，能夠及時采取相關(guān)措施控制頂板，降低因突發(fā)事故對綜采面正常推進(jìn)造成的影響。

2）改進(jìn)工作面工種配合方式。以采煤機(jī)為中心合理安排循環(huán)作業(yè)，采煤機(jī)作業(yè)后及時布置護(hù)幫板，移架要及時迅速，提高綜采面機(jī)械化水平，使礦山逐漸向少人化、無人化、數(shù)字化方向發(fā)展。

3）優(yōu)化液壓支架參數(shù)，使前柱工作阻力大于后柱工作阻力，提高支架的初撐力，有利于端面頂板的控制。

4　結(jié)論

1）通過適當(dāng)提高液壓支架支護(hù)阻力增加頂板穩(wěn)定性，在不超過支架額定工作阻力的情況下，所選支架能夠承受頂板壓力，但在煤壁前方頂板出現(xiàn)塑形破壞區(qū)域，破壞形式主要為壓剪破壞。

2）綜采面支架前后柱工作阻力比值是影響端面頂板控制效果的重要因素，前后柱阻力比為1∶1.2能有效地控制工作面頂板的穩(wěn)定。

3）從優(yōu)化工作面回采順序，合理控制推進(jìn)速度以及液壓支架的質(zhì)量監(jiān)控等方面入手，結(jié)合綜采面實(shí)際生產(chǎn)狀況，加強(qiáng)對某礦S2108工作面端面頂板的穩(wěn)定性，提高煤礦生產(chǎn)效率。

[1]康立勛.大同綜采工作面端面漏冒及其控制[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，1994．

[2]張頂立，何佐德.綜放開采端面頂煤穩(wěn)定性研究及應(yīng)用[J].煤，2001，10（4）：21-25．

[3]張寧波，劉長友，于文海，等.兩柱掩護(hù)式綜放支架對端面頂煤穩(wěn)定性的控制作用[J].煤炭工程，2011（3）：31-33．

[4]方新秋，錢鳴高，曹勝根，等.綜放開采不同頂煤端面頂板穩(wěn)定性及其控制[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，31（1）：69-74．

[5]徐金海，張頂立.綜放工作面端面冒頂事故的防治[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，1998，8（5）：28-31．