郭子程

(潞安集團高河能源公司，山西 長治 047100)

綜采放頂煤是一種高效開采厚煤層的方法，通過開采下部煤層，放出上部煤體，實現(xiàn)厚煤層的一次開采。由于開采空間大，造成工作面的垮落帶和裂隙帶較普通綜采工作面較高，頂板回轉(zhuǎn)較大，存在動-靜載荷加載，對煤巖體的損傷較大，如支護不合理則容易導致工作面、巷道冒頂事故的發(fā)生。

宋選民[1]對不同地質(zhì)條件下放頂煤的來壓規(guī)律和支架選型進行了研究；弓培林[2]對頂煤的冒放性進行了研究和處理；高清啟[3]對孤島放頂煤工作面冒頂?shù)臋C理進行了研究，發(fā)現(xiàn)冒頂?shù)闹饕蚴窍噜徆ぷ髅娴拈_采過程中，老頂?shù)臄嗔褜ο噜弬?cè)煤體的直接頂進行了壓酥、破壞，直接導致支架前方未接頂處出現(xiàn)了超前冒落；方新秋[4]對綜放工作面端頭三角煤的穩(wěn)定性進行了理論和數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)煤柱的寬度和圍巖的強度對其起關(guān)鍵作用，針對該情況，可以適當?shù)脑黾用褐膶挾龋涩F(xiàn)在的12 m增加到20 m，強度提升較大；李迎富[5]對工作面端頭三角煤的關(guān)鍵塊進行了理論分析，提出了擠壓變形和滑落失穩(wěn)的判據(jù)， 認為當煤柱寬度較小，缺少足夠的承載能力時需要采用巷旁支護?？梢?，研究放頂煤的頂板破斷規(guī)律對巷道的支護具有重要意義。

為了保證巷道在掘進和回采期間的穩(wěn)定性， 一般支護設計偏保守，支護強度較大，但經(jīng)濟上不合理，同時回采后順槽懸頂較大，存在以下危害：

1)綜采工作面回采過程中，因順槽頂板不塌，容易導致機頭尾三角區(qū)積聚瓦斯，造成瓦斯預警或者超限。

2)如順槽頂板長時間不垮落，隨著回采距離增加，兩巷機頭和機尾三角區(qū)會造成長距離空頂現(xiàn)象，如某一時間集中垮落，則可能造成瓦斯瞬間涌出的可能性，對工作面人員及設備造成沖擊。

退錨技術(shù)指將錨桿托盤拆除、解除錨桿的錨固作用，使錨桿失效，回收托盤、桿體和螺母、鋼帶。韓朝軍[6]對退錨的時機和位置進行了精準控制，在端頭支架的支撐范圍之內(nèi)，同時在煤壁開采線之外，這樣一方面所需的退錨力較小，另一方面有端頭支架的支撐保證了安全。張慶云[7]針對放頂煤工作面和巷道中煤塵較大的問題，研發(fā)了帶防塵設備的退錨機。李錦雄[8]認為采用后張拉法施工，錨固段在張拉后存在回彈現(xiàn)象，一方面導致錨桿的張拉強度損失，另一方面導致存在有效應力。褚曉威[9]針對煤礦井下錨索的錨具滑脫現(xiàn)象進行了分析，主要是機具出現(xiàn)不匹配的原因，例如錨索與夾片的強度有差距等。

本文依托余吾煤業(yè)公司S1205綜放工作面，研究頂板的垮落特征，當出現(xiàn)順槽采空區(qū)懸頂較大時，應采取何種措施應對處理。

1 礦井地質(zhì)條件

工作面埋藏深度+350 m～+535 m，該煤層為3#煤層，賦存于二疊系山西組地層中下部，為陸相湖泊沉積，煤層厚度穩(wěn)定，平均為6.34 m。煤層底板1.5 m，為炭質(zhì)泥巖和部分矸石混合物。工作面圍巖特征如表1所示。

表1 S1205工作面巖性綜合柱狀表Table 1 Lithologic synthetic column table of S1205 working face

2 頂板破斷分析

2.1 綜放面覆巖結(jié)構(gòu)形成

在綜放工作面回采過程中，直接頂和頂煤隨著回采直接冒落，基本頂隨著回采距離的增加出現(xiàn)懸頂，在礦山壓力的作用下會發(fā)生旋轉(zhuǎn)、破斷， 形成“O-X”破裂結(jié)構(gòu)，對產(chǎn)生的過程進行描述，工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)形成過程見圖1。

圖1 工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)形成過程Fig.1 Structure formation process of overburden strata of the working face

如圖1所示，把堅硬的基本頂假設為板結(jié)構(gòu)，當懸頂達到一定長度時，中部彎矩較大，容易產(chǎn)生斷裂線Ⅰ，隨著跨度的進一步增大，板結(jié)構(gòu)的長軸成斷裂線Ⅱ，隨后短軸成斷裂線Ⅲ，此時只是板的周圍產(chǎn)生了斷裂，與周圍結(jié)構(gòu)失去了相互鉸接，加上下部已經(jīng)采空，在上覆巖層的壓力作用下板結(jié)構(gòu)中心進行了破斷，形成了分塊斷裂線Ⅳ，理論上形成了2塊結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)1和2，這是工作面初次來壓。隨著采煤循環(huán)的不斷進行，頂板會發(fā)生周期性的破斷，導致上覆的結(jié)構(gòu)破斷一直在不斷的重復產(chǎn)生，但由于塊度比較小，如圖中的塊度3小于塊度2，這也是周期來壓步距小于初次來壓步距的原因。

在放頂煤工作面垂直剖面傾向方向，形成的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 工作面覆巖鉸接結(jié)構(gòu)Fig.2 Hinge structure of overlying strata of the working face

C段由于開挖后缺少支撐，會完全壓實采空區(qū)。A塊會保持原來的位態(tài)，只是應力經(jīng)過了重新的分布，B塊形成了“鉸接”結(jié)構(gòu)，其承載能力一端與A塊有關(guān)，一端與C塊有關(guān)，承載能力與A、C塊對其水平擠壓能力和接觸面粗糙程度有關(guān)，巷道位置的選擇需要重點考慮B塊的位置和斷裂線的位置。這種鉸接結(jié)構(gòu)就是相鄰工作面基本頂巖層在本工作面煤體上方形成的破斷結(jié)構(gòu)。

2.2 關(guān)鍵塊相關(guān)參數(shù)的確定

根據(jù)上文的分析，弧形三角塊B對下方巷道的穩(wěn)定性影響較大，因此確定其基本參數(shù)對煤柱的選擇具有重要參考意義，B塊主要包括以下4個基本參數(shù)：基本頂?shù)臉O限走向塊度長度L，基本頂傾向塊度長度l，基本頂巖梁的厚度ME以及關(guān)鍵塊在側(cè)向煤體中的斷裂位置S0。

2.2.1L的確定

根據(jù)上述的分析，長度L為基本頂發(fā)生破斷的距離，即周期來壓步距。根據(jù)余吾煤業(yè)S1205相鄰工作面基本頂巖層的周期來壓步距為11 m,可以推斷S1205工作面基本頂周期來壓步距亦為11 m左右，即：

L=11 m .

2.2.2斷裂跨度l的確定

l是指基本頂在傾向方向發(fā)生破斷的總長度，用于表示B塊的基本長度，l的長度可用下式進行計算：

(1)

式中：L為工作面基本頂周期來壓步距，11 m；s為工作面超前距離 ，取300 m。代入式(1)得到l=12.6 m。

2.2.3基本頂巖層的厚度ME的確定

關(guān)鍵塊的厚度ME即為基本頂巖層的厚度。根據(jù)地質(zhì)鉆孔和鉆孔窺視，S1205工作面基本頂?shù)暮穸葹?.5 m。

2.2.4斷裂位置

關(guān)鍵塊B的斷裂位置對其能否形成鉸接結(jié)構(gòu)并且保持一定的穩(wěn)定性具有關(guān)鍵的作用，進而影響到煤體一側(cè)和回采巷道的應力分布狀態(tài)。

(2)

式中：Sm為工作面超前距離，300 m；ME為基本頂巖梁厚度，6.5 m；CE為基本頂巖梁周期來壓步距，11 m；γE為基本頂容重，0.026 MN/m3；k為應力集中系數(shù)；γ為覆巖平均容重，0.025 MN/m3；H為煤層埋深，500 m。代入式(2)，得S0=5.05 m。

3 退錨技術(shù)

3.1 退錨工藝

根據(jù)上文分析，頂板回采后的形態(tài)見圖3。

圖3 工作面懸頂結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Suspended roof structure of the working face

順槽采空區(qū)在關(guān)鍵塊B下方，隨著工作面的不斷推進不會及時的垮落，因此使用退錨工藝，主要為：

1)將鐵梯靠在煤墻上，由2名作業(yè)人員扶牢鐵梯，作業(yè)人員站在鐵梯上，并系好安全帶進行作業(yè)，或搭設牢固可靠的作業(yè)平臺。

2)退錨索時，將退錨機的高壓管接到風動或電動漲拉泵上。

3)膠順退錨索時，作業(yè)人員可站在轉(zhuǎn)載機身上進行退錨。

4)人員站在鐵梯上退錨時，由2名作業(yè)人員扶牢鐵梯，1名作業(yè)人員站在鐵梯上將退錨機卡住錨索進行退錨，并系好安全帶，另1名作業(yè)人員按照現(xiàn)場跟班對干的口令對漲拉泵緩緩送液，直至將錨索退下。

5)端頭、端尾退錨后，嚴禁向采空區(qū)扔托盤、鎖具等物品，采空區(qū)里不得有鐵器出現(xiàn)。

6)錨索因變形等原因無法退掉時，用風鎬將錨索托盤周圍的煤炭破碎，將錨索托盤松動。

3.2 退錨效果

為了檢測退錨的效果，采用現(xiàn)場觀測退錨的情況以及監(jiān)測退錨后頂板端頭支架的壓力。圖4所示為100#端頭支架的工作阻力，圖5所示為110#端頭支架作阻力，從11月1日開始，進行了退錨實驗。

圖4 100#支架工作阻力Fig.4 Working resistance of No.100 support

圖5 110#支架工作阻力Fig.5 Working resistance of No.110 support

從圖4、5中可以看出：

1)經(jīng)過退錨工序后，支架的最大工作阻力降低，如100#端頭支架，最大工作阻力由49.1 MPa下降至46.5 MPa。而110#端頭支架，最大工作阻力由43 MPa下降至35 MPa，說明了退錨有助于減少懸頂?shù)拈L度，從而減少了支架的工作阻力。

2)經(jīng)過退錨工序后，雖然頂板來壓強度降低，但是頂板垮落步距減少，垮落次數(shù)增加，100#端頭支架來壓次數(shù)和頻率更為明顯。

4 結(jié)論

1)基于地質(zhì)條件和綜采放頂煤理論，計算了覆巖頂板破斷形成的“O-X”結(jié)構(gòu)基本參數(shù)，從理論上分析了順槽采空區(qū)懸頂?shù)脑驗殛P(guān)鍵塊B的支撐結(jié)構(gòu)。

2)關(guān)鍵塊B的跨度為12.6 m，斷裂線位置距回采巷道為5.05 m，因此順槽采空區(qū)上方由于堅硬塊的存在，不容易垮落。

3)通過退錨技術(shù)，端頭支架最大工作阻力由43 MPa下降至35 MPa，說明了退錨有助于減少懸頂?shù)拈L度，從而減少了支架的工作阻力。