默建濤

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

1 工程概況

龐龐塔礦9-101工作面位于9#煤一采區(qū)，采區(qū)地面標(biāo)高為+1153～1313m，工作面標(biāo)高為+730～851m，工作面主采9#煤層，煤層均厚11.8m。工作面呈一單斜構(gòu)造，傾向?yàn)闁|西向，走向?yàn)槟媳毕?，煤層傾角12～36°，平均24°。煤層直接頂為泥質(zhì)灰?guī)r，基本頂為砂質(zhì)泥巖，直接底為泥巖，均厚1.5m，基本底為細(xì)粒砂巖，均厚2m。工作面總體呈較平緩的單斜構(gòu)造形態(tài)，局部波狀起伏，工作面采用綜采放頂煤走向長壁采煤法，設(shè)計(jì)采高為3.2m，采放比為1:2.69。

2 頂煤破壞與運(yùn)移機(jī)理分析

煤層埋深、煤體自身硬度、煤層夾矸情況、采動(dòng)應(yīng)力大小、支架阻力以及放煤步距等都是影響頂煤破壞、運(yùn)移的因素，主要分析頂煤在工作面超前支承壓力以及液壓支架影響下的破壞和運(yùn)移規(guī)律。

2.1 超前支承壓力對(duì)頂煤運(yùn)移的影響

頂煤中宏觀裂隙的發(fā)展情況，決定綜放工作面頂煤能否順利放出。放煤口上方的頂煤只要能夠和上部以及周圍的煤體有著力的作用，就不會(huì)有特別明顯的以至于導(dǎo)致頂煤不穩(wěn)定的宏觀裂隙產(chǎn)生，仍會(huì)與其他部分的煤體保持為一個(gè)完全體，因此不會(huì)發(fā)生頂煤煤體破壞而表現(xiàn)出散體現(xiàn)象。所以可以把頂煤運(yùn)移過程看成為從破壞前煤體所表現(xiàn)的完整狀態(tài)到破壞后煤體所表現(xiàn)的散體狀態(tài)的變化過程（如圖1所示），這種變化過程包含了頂煤內(nèi)原生與次生裂隙發(fā)育擴(kuò)展到裂隙相互連通而導(dǎo)致煤體力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的過程，到最后發(fā)生煤體破壞，表現(xiàn)為散體狀態(tài)。隨著工作面的不斷推進(jìn)，由上覆頂板在采空區(qū)的下沉所產(chǎn)生的彎矩勢能作用在煤體上，也就是所謂的超前支承壓力作用，在超前支承壓力作用較為嚴(yán)重的地方，頂煤內(nèi)原生裂隙會(huì)不斷發(fā)育，次生裂隙急劇增加，這種變化會(huì)不斷擴(kuò)大，最后產(chǎn)生位移和破壞。綜放工作面頂煤的破壞，實(shí)際上是一個(gè)頂煤裂隙擴(kuò)展貫通，微觀損傷不斷發(fā)展，進(jìn)而產(chǎn)生宏觀運(yùn)移與破斷的過程[1]。

圖1 綜放工作面頂煤破壞區(qū)域分析圖

2.2 液壓支架對(duì)頂煤運(yùn)移的影響

（1）支架阻力的影響

在綜放工作面推進(jìn)過程中，在采煤機(jī)進(jìn)刀割煤后液壓支架前移來支撐頂煤，這個(gè)過程中綜放工作面頂煤受到支架反復(fù)且頻繁的支撐作用，頂煤在上覆巖層動(dòng)載作用下所形成的原生裂隙在支架的頻繁支撐作用下不斷發(fā)育擴(kuò)展，最后充分破碎。合理選擇支架的工作阻力以及初撐力，既能保持工作面頂板的穩(wěn)定性，又能有利于頂煤的破碎。如果設(shè)定的支架初撐力較小，由于自重的作用，與支架所接觸的煤體作用在支架上，其內(nèi)部裂隙會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，此刻若頂煤煤體重力所產(chǎn)生的作用力大于支架的工作阻力，則會(huì)發(fā)生頂煤在垂直以及水平方向上的運(yùn)移，進(jìn)而使頂板發(fā)生離層。雖然這樣會(huì)使頂煤放出時(shí)比較容易，但會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)更為嚴(yán)重的情況，頂板下沉、冒頂事故發(fā)生的概率增大，使工作面不能夠穩(wěn)定且安全地進(jìn)行生產(chǎn)。

為了能夠設(shè)定支架合理的初撐力以及工作阻力，在9-101綜放工作面進(jìn)行設(shè)定支架不同初撐力以及工作阻力的情況下工作面煤壁附近冒頂狀況的實(shí)測，如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可知，在綜放回采工作面，液壓支架的初撐力以及工作阻力設(shè)置的過大與過小都會(huì)造成工作面頂煤冒落高度與冒落次數(shù)的增加。在9-101綜放工作面，支護(hù)強(qiáng)度在6860～7500kN范圍內(nèi)所達(dá)到的效果最好。

圖2 不同初撐力及工作阻力下工作面冒頂高度

圖3 不同初撐力及工作阻力下工作面冒頂次數(shù)

（2）支架掩護(hù)梁角度與頂梁長度的影響

在一定條件以及同樣的推進(jìn)距離情況下，改變綜放工作面支架頂梁的長度，會(huì)使支架的移動(dòng)次數(shù)發(fā)生改變。因?yàn)橹Ъ芤苿?dòng)次數(shù)的增加，增大了綜放工作面頂煤源自支架來回的支護(hù)作用，如果加大支架的頂梁長度，保持支架的其他條件不變，這樣可以使得支架后端的支撐強(qiáng)度在彎矩的作用下大于支架前端，促使液壓支架后面的頂煤得到充分破碎，使頂煤的放出更加順利。綜放工作面支架的保護(hù)梁角度對(duì)頂煤的垮落角度與支架保護(hù)梁的受力狀態(tài)有一定程度的相關(guān)性，因此頂煤的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也會(huì)受到相應(yīng)影響。

2.3 頂煤變形破壞過程分析

綜放工作面在常速回采過程中，工作面頂煤內(nèi)部從原有裂隙擴(kuò)張?jiān)俚狡茐?，最后從支架頂部后方順利放出，需要?jīng)歷一個(gè)在一定范圍內(nèi)的過程變化[2]。在工作面推進(jìn)過程中，首先會(huì)發(fā)生塑性變形的過程，頂煤內(nèi)部原有的水平裂隙在受初始采動(dòng)作用影響下，受上覆巖層動(dòng)載作用發(fā)生壓縮閉合，從而促使頂煤在垂直方向上發(fā)生變形。隨著綜放工作面繼續(xù)回采，工作面前方的超前支承壓力的范圍以及峰值隨之增大，頂煤在垂直方向上產(chǎn)生了次生裂隙，逐漸發(fā)生塑性變形。在這個(gè)過程中，頂煤與頂板之間以及自身內(nèi)部中都沒有發(fā)生離層現(xiàn)象。在工作面前方5～30m范圍內(nèi)，也就是超前支承壓力影響最為劇烈的區(qū)域[3]，頂煤開始發(fā)生劇烈破壞，在這個(gè)過程中，頂煤在水平方向的變形不斷增大，導(dǎo)致頂煤內(nèi)部裂隙在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展、發(fā)育。最后就是上覆頂板與支架對(duì)頂煤的作用過程，采空區(qū)上部的直接頂板在工作面回采到一定距離后發(fā)生垮落，根據(jù)懸臂梁原理[4]，所產(chǎn)生的作用力作用在頂煤上，由于支架后方采空區(qū)一側(cè)對(duì)頂煤沒有了約束作用，導(dǎo)致頂煤向支架后方的水平移動(dòng)速率與移近量增加，垂直于水平裂隙得以充分?jǐn)U展，部分頂煤破碎變成散體狀態(tài)，順利放出。在頂煤厚度較厚的地方，會(huì)導(dǎo)致下部頂煤破壞程度不夠，以至于不能夠順利放出，此時(shí)就需要支架進(jìn)行反復(fù)移動(dòng)支撐，使頂煤能夠充分破碎，從而順利放出。

3 頂煤運(yùn)移實(shí)測

（1）觀測方法

運(yùn)用深基孔位移監(jiān)測法對(duì)本次所要研究的頂煤運(yùn)移進(jìn)行實(shí)測。在9-101工作面回采巷道內(nèi)，在不同層位的頂板與頂煤中布置深基點(diǎn)鉆孔，并且植入附著細(xì)鋼絲的逆止爪，這樣就可以跟蹤當(dāng)天不同位置所產(chǎn)生的位移和。

（2）測點(diǎn)布置

布置的鉆孔直徑為65mm，并在回采巷道超前回采工作面100m處進(jìn)行測點(diǎn)布置，布置測站數(shù)為3，測站彼此間距離為5m。每組測站需要布置6個(gè)鉆孔，底板與孔口之間設(shè)置的距離分別為2.5m、1.8m和1.5m。觀測孔布置方式如圖4所示。

圖4 觀測孔布置方式圖

（3）觀測結(jié)果

其中一組測站的測點(diǎn)鉆孔監(jiān)測的位移曲線圖如圖5所示。

圖5 位移曲線圖

由圖5可以得出，監(jiān)測基點(diǎn)在第一組顯示距離工作面34m處，頂煤位移量開始增加，監(jiān)測基點(diǎn)在第二組顯示距離工作面36m處，頂煤位移量開始增加。兩組測點(diǎn)顯示的頂板位移量都是在距離工作面25m內(nèi)變化最為劇烈，在25～30m范圍內(nèi)較為平緩，35m后比較穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）綜放工作面在超前支承壓力下，頂煤中原有的裂隙不斷擴(kuò)展發(fā)育，次生裂隙不斷增加，并在水平方向上位移增大。在工作面超前支承壓力的作用范圍內(nèi)，將頂煤劃分為彈性完整區(qū)、裂隙擴(kuò)展發(fā)育區(qū)、散體區(qū)。

（2）工作面支架設(shè)置的初撐力與工作阻力太大或太小都會(huì)增加工作面冒頂次數(shù)，合理的設(shè)置支架初撐力與工作阻力以及支架的頂梁長度與移動(dòng)頻率，能夠確保頂板穩(wěn)定的同時(shí)，頂煤能夠順利放出。

（3）通過對(duì)9-101工作面回采巷道進(jìn)行實(shí)測，可知與工作面煤壁距離越是接近，測點(diǎn)所顯示的位移值越大，其中在距離工作面煤壁5m范圍內(nèi)最大。