贠東風(fēng)，楊晨暉，伍永平，李浩男，王 同

（1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077）

0 引 言

大傾角煤層一般是指埋藏傾角為35°～55°的煤層，是國內(nèi)外采礦界所公認(rèn)的難采煤層［1-2］。從20世紀(jì)30年代開始，前蘇聯(lián)科學(xué)家就系統(tǒng)地進(jìn)行過對大傾角礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究，不久后研制出適用于大傾角煤層的成套設(shè)備。同一時期，德國、波蘭、印度、烏克蘭、西班牙等國家也相繼對大傾角煤層機械化開采研究取得一些成果并用于工程實踐。21世紀(jì)以來，歐美國家主要采煤國家受市場經(jīng)濟影響陸續(xù)停止開采大傾角煤層，對于大傾角綜采研究進(jìn)展緩慢，相關(guān)文獻(xiàn)資料也逐漸稀少。

大傾角煤層于中國煤炭探明儲量及產(chǎn)量中占據(jù)重要地位，主要分布于西部，半數(shù)以上為優(yōu)質(zhì)焦煤和無煙煤，是保護(hù)性開采的稀缺煤種。近年來，煤炭資源持續(xù)高強度的開采，近水平易采煤層儲量逐漸枯竭，開采目標(biāo)不得不轉(zhuǎn)向大傾角煤層。中國自20世紀(jì)80年代開始，對大傾角煤層開采巖層控制理論與技術(shù)進(jìn)行長期的研究［3-5］，并取得長足的發(fā)展。

廣大專家學(xué)者對大傾角采場矸石滑移充填特征［6-8］、頂板結(jié)構(gòu)［9-11］、覆巖運移特征［12-14］、“支架-圍巖”系統(tǒng)耦合作用機理與支架穩(wěn)定性控制［15-17］等科學(xué)問題進(jìn)行大量研究。文獻(xiàn)［18-20］表明，大傾角煤層開采時，采場頂板呈非對稱性的力學(xué)特征，易形成傾向及反傾向堆砌結(jié)構(gòu)。尤其在大傾角大采高開采過程中尤為明顯，頂板冒落后，巖塊作非均衡復(fù)合運動，極易造成支架的穩(wěn)態(tài)失效［21-24］。

因此，以川煤集團(tuán)華榮公司花山煤礦為工程背景，采用理論分析、物理相似模擬試驗與現(xiàn)場實測相結(jié)合的研究方法，在厘定走向長壁綜采工作面初次來壓與周期來壓礦壓顯現(xiàn)規(guī)律基礎(chǔ)之上，分析耦合效應(yīng)下的頂板冒落形態(tài)的演化機理，研究支架失穩(wěn)的典型分區(qū)特征。研究結(jié)果對現(xiàn)場工程實踐具有一定的理論指導(dǎo)意義與參考價值。

1 工程背景

川煤集團(tuán)華榮公司花山煤礦6152綜采工作面位于＋1 030 m水平六采區(qū)，工作面主采15號煤層，標(biāo)高1 301～1 389 m，煤層賦存較穩(wěn)定。工作面設(shè)計可采走向長度平均400 m，平均傾斜長度140 m；煤層平均傾角為34.5°，煤層平均厚度為4.91 m。直接頂為泥質(zhì)粉砂巖夾煤線，厚度為7.29 m，強度為f＝5～7，巖性特征為深灰色薄層狀；基本頂為泥質(zhì)粉砂巖-粗粒砂巖，厚度為2.60 m，強度系數(shù)f介于7～9，巖性特征為淺灰色中厚層狀。直接底為灰色中厚層狀粉砂巖，老底為粉砂巖，厚度為7.20 m，強度系數(shù)f介于5～7，巖性特征為淺灰色厚層狀。巖層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 巖層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of rock strata

2 大傾角長壁綜采頂板冒落形態(tài)

根據(jù)巖層綜合狀圖對實際工作面按照幾何相似比1∶30制成試驗?zāi)Ｐ?，根?jù)現(xiàn)場煤巖物理力學(xué)參數(shù)，將石英砂、細(xì)河沙、石膏、粉煤灰、碳酸鈣（大白）按比例混合，加水?dāng)嚢韬笱b入試驗架并夯實，云母粉作為分層材料分層鋪裝。在傾向底板布置CL-YB-114W 型有線應(yīng)力傳感器，傳感器通過與108路壓力計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接來監(jiān)測壓力情況；相機拍照記錄頂板破斷形態(tài)、巖塊鉸接情況及垮落矸石和支架的作用狀態(tài)，設(shè)備如圖2所示。

圖2 試驗設(shè)備Fig.2 Test apparatus

2.1 沿傾斜方向頂板冒落特征

受傾角效應(yīng)影響，直接頂首先從工作面中上部發(fā)生“離層—彎曲—破斷垮落”形式破壞。通常工作面上部直接頂能夠全部冒落，冒落的巖塊沿著傾斜方向滑移至工作面下部，使工作面下部逐漸充填堆積密實，運移空間減小，形成較穩(wěn)定的充填壓實區(qū)，如圖3（a）所示。不對稱的矸石充填形態(tài)，為傾斜方向各部高位巖層運移提供了條件。

基本頂?shù)钠茐拿奥?，主要呈“離層—回轉(zhuǎn)—斷裂—反向回轉(zhuǎn)—垮落”形式，具有時序性和不均衡性特征。工作面下部受限于充填矸石，運移空間較小，高位巖層一般不易發(fā)生回轉(zhuǎn)變形。工作面中部矸石充填不均勻、不密實，使得斷裂巖塊有一定的回轉(zhuǎn)空間。工作面上部直接頂垮落形成較大的空間，使得高位巖層缺少約束力，所以中上部頂板一般最先發(fā)生垮落。在直接頂垮落后，中上部巖塊在離層斷裂后發(fā)生空間上的扭轉(zhuǎn)破壞，且冒落的巖塊較為完整，與傾斜下部工作面已堆積的鉸接部分為軸轉(zhuǎn)動，發(fā)生反向回轉(zhuǎn)，形成與傾斜方向相反的堆砌結(jié)構(gòu)，與傾向堆砌巖塊互相鉸接，如圖3（b）所示。

圖3 頂板冒落模擬試驗Fig.3 Simulation test of roof caving

不同于近水平煤層，由于冒落煤矸沿工作面傾斜方向的不均勻充填，大傾角煤層工作面支架載荷呈現(xiàn)出中部最大、上部次之、下部最小的分區(qū)特征。分析壓力傳感器數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)下部區(qū)域平均支架載荷約為中部區(qū)域的84%，上部區(qū)域平均支架載荷約為中部區(qū)域的91%，如圖4所示。

圖4 支架受載特征Fig.4 Force characteristics of supports

2.2 沿走向方向頂板冒落特征

在基本頂初次來壓前，走向頂板冒落狀態(tài)可以看作傾向頂板冒落形態(tài)的累加堆積。下部采空區(qū)在直接頂初次垮落后，巖塊堆積密實，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。工作面推進(jìn)過程中，較上采空區(qū)充填不完全及存在空穴的部分對于基本頂約束力較弱，在基本頂裸露部分超過巖層極限跨距時，于支架后方的巖梁發(fā)生破斷失穩(wěn)，此時為基本頂初次來壓。初次來壓時，支架載荷發(fā)生突然增大，煤壁片幫較為嚴(yán)重，并伴隨采空區(qū)巖塊失穩(wěn)滑落。

初次來壓后，工作面暫時擺脫基本頂失穩(wěn)影響，但隨著工作面不斷推進(jìn)基本頂懸露面積又不斷擴大，將面臨又一次來壓，頂板再一次破斷，持續(xù)經(jīng)歷“穩(wěn)定—失穩(wěn)—再穩(wěn)定”狀態(tài)變化，對工作面產(chǎn)生周期性的來壓顯現(xiàn)。頂板周期性的破斷，使冒落矸石沿走向采空區(qū)下部形成谷峰相間的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，巷道礦壓監(jiān)測表明與鋸齒狀相對應(yīng)。

2.3 頂板冒落形態(tài)演化機理

2.3.1 傾向演化機理

在工作面推進(jìn)時，支架一般自下而上依次順序移架，所以下部頂板走向上懸露的面積會最先增大，接著下部巖層出現(xiàn)離層裂隙。由于冒落的直接頂堆積于工作面下部區(qū)域，對下部高位巖層起到一定的支撐約束作用。當(dāng)頂板懸露面積逐漸增大，巖層間由于離層的產(chǎn)生，層間黏聚力喪失，且中上部缺少冒落矸石的支撐，下位巖層的撓曲度迅速增大，出現(xiàn)不均勻的斷裂現(xiàn)象。沿工作面傾向上部巖層受到圍巖橫向擠壓作用，巖層內(nèi)產(chǎn)生剪應(yīng)力，巖（層）板邊界處受拉斷裂，同時還受到更上部區(qū)域巖層的反向推力作用，發(fā)生反向回轉(zhuǎn)。下部巖層主要產(chǎn)生壓剪斷裂，在下端頭及矸石的鉸接作用下，發(fā)生回轉(zhuǎn)。穩(wěn)定后，發(fā)生傾向回轉(zhuǎn)與反傾向回轉(zhuǎn)的巖塊于工作面傾向中下部形成向斜形態(tài)，受傾角、采高等因素影響，矸石不同于近水平煤層垂直冒落后對稱堆積，而是關(guān)于軸線兩端，向斜呈非對稱堆積。

頂板隨工作面推進(jìn)再次發(fā)生冒落，部分巖塊堆疊至向斜一側(cè)。更多的位于較上部分的巖塊滑移至底板附近，與向斜結(jié)構(gòu)巖塊發(fā)生碰撞、回轉(zhuǎn)、鉸接，接著形成背斜形態(tài)。與向斜一樣，也呈現(xiàn)非對稱堆積，如圖5所示。在工作面傾斜長度較大時，向背斜冒落交替形成并周而復(fù)始循環(huán)出現(xiàn)。

圖5 向背斜非對稱堆積Fig.5 Asymmetric accumulation of syncline and anticline

2.3.2 走向演化機理

沿工作面走向上，頂板巖層破壞與緩傾斜及近水平煤層特征相似，具有周期性破斷特征。在開采推進(jìn)過程中，從煤壁至采空區(qū)的巖層活躍程度依次遞減，受采動影響最活躍位于靠近工作面煤壁區(qū)域。初次來壓前，基本頂懸露面積逐漸增大，采空區(qū)僅有一些塊度小的矸石堆積。當(dāng)頂板懸露面積增至最大撓度時，頂板發(fā)生破斷垮落，受傾角影響于采空區(qū)下部形成山峰狀堆積，懸頂期間滑落的矸石堆積填不滿采空區(qū)，形成谷狀堆積。圍巖穩(wěn)定后工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，頂板懸露至可承受的最大撓度后出現(xiàn)第2次垮落，于采空區(qū)下部形成新的山峰狀堆積。支架載荷將明顯增大，基本頂產(chǎn)生第1次周期來壓。采空區(qū)下部隨周期來壓的顯現(xiàn)，頂板呈現(xiàn)周期性破斷，形成谷峰相間的結(jié)構(gòu)。由于傾角影響，冒落的高位巖層頂板持續(xù)與采空區(qū)下部冒落堆積的巖塊發(fā)生碰撞堆砌，相互鉸接滑移運動，最終沿走向方向上采空區(qū)下方形成類似“鋸齒狀”冒落形態(tài)，齒尖朝上，每個大鋸齒基本代表每次周期來壓的位置，如圖6所示。

圖6 谷峰相間堆積Fig.6 Alternating accumulation of valley and peak

受采動及來壓影響，破斷矸石滾落至谷部，發(fā)生沖擊碰撞，谷部壓力集中現(xiàn)象明顯。現(xiàn)場實測也發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)谷狀堆積下方巷道處受壓強烈，變形破壞多發(fā)。故大傾角煤層巷道的支護(hù)須對來壓處以及鋸齒狀堆積的底谷部多加關(guān)注。

3 支架穩(wěn)態(tài)控制

3.1 支架圍巖相互作用

直接頂垮落后巖塊下滑充填至工作面下部的采空區(qū)，在該范圍內(nèi)支架受直接頂垮落巖塊的作用較大，尤其是在靠近運輸巷的直接頂巖層，幾乎直接對支架后部尾梁產(chǎn)生擠壓作用，易造成支架失穩(wěn)，但由于垮落巖塊充填作用，頂板及高位巖層運移空間小，支架受到未垮落直接頂巖層的作用也較小。

而采空區(qū)內(nèi)基本頂垮落后的下滑特征受直接頂?shù)暮穸?、基本頂?shù)膹姸群筒筛叩纫蛩赜绊?，但基本頂?shù)南禄潭冗h(yuǎn)弱于直接頂?；卷斂迓浜螅毓ぷ髅鎯A斜方向“支架-圍巖”關(guān)系其特有的特征，如圖7所示?；卷斠浴皟A斜砌體”形式保持穩(wěn)定，破斷巖塊間相互鉸接擠壓來傳遞作用力；在工作面下部，支架是以直接頂為傳力媒介對支架進(jìn)行作用的，活動空間有限，冒落巖塊與支架接觸面較大且均勻，結(jié)構(gòu)也較為穩(wěn)定。而在工作面中上部則直接與支架接觸進(jìn)行施載，在該范圍內(nèi)，由于巖塊運移空間較大，基本頂?shù)钠茢鄬χЪ芫哂幸欢_擊作用，且冒落巖塊塊度不一，呈現(xiàn)非均衡非對稱的冒落形態(tài)，使得支架各處受力不均使得向背斜堆積下方支架上下立柱受載有很大差異。

圖7 工作面傾向“支架-圍巖”關(guān)系Fig.7 Support-surrounding rock relationship of working face tendency

大傾角工作面支架圍巖關(guān)系具有復(fù)雜性，根據(jù)頂板冒落形態(tài)的不同，兩者接觸類型在不同區(qū)域具有明顯差異，大致可分為3類，均勻的正壓接觸、非均勻的傾向接觸與反傾向接觸，如圖8所示。

圖8 “支架-圍巖”接觸類型Fig.8 Contact types of support-surrounding rock

穩(wěn)定的正壓型接觸多位于工作面下部區(qū)域，該區(qū)域冒落矸石充填密實程度高，較為穩(wěn)定，而工作面越往上，密實程度呈遞減趨勢，中上部頂板冒落所形成的向背斜堆積，使支架與頂板接觸受力不均勻，導(dǎo)致支架的穩(wěn)態(tài)失效。

3.2 支架失穩(wěn)機理

對不同接觸類型支架失穩(wěn)機理進(jìn)行受力分析，θ為煤層傾角，（°）；q為頂板壓力，kN；G為支架自重，kN；F1，F(xiàn)2為上下鄰架側(cè)護(hù)板作用力，kN；F3，F(xiàn)4為上下鄰架底調(diào)梁作用力，kN；L為支架寬度，m；H為支架高度，m；h為支架重心高度，m；f1，f2為頂板、底板與支架的摩擦力，kN；μ1，μ2為頂板、底板與支架摩擦系數(shù)，正壓接觸如圖9所示。

圖9 “支架-圍巖”正壓接觸受力分析Fig.9 Positive pressure contact force analysis of support-surrounding rock

支架與頂?shù)装迥Σ亮?/p>

支架通常沿支架煤壁處底板邊緣發(fā)生傾倒，即圖9中O點處，在正壓接觸時，在O點處求支架力矩可知支架平衡條件為

設(shè)支架傾倒系數(shù)為K，可得

由上述公式可知，支架傾倒系數(shù)與煤層傾角、架重、支架寬度、支架重心高度、頂板摩擦系數(shù)、支架工作阻力以及臨架之間的相互作用力有關(guān)。當(dāng)K＜1時，支架處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會發(fā)生傾倒，當(dāng)K＞1時，支架發(fā)生傾倒，當(dāng)K＝1時，支架處于臨界狀態(tài)，隨時可能失穩(wěn)，須加強穩(wěn)態(tài)控制。

對于非均勻接觸支架受力，如圖10所示，由于頂板冒落形成非對稱的向背斜堆積形態(tài)，使得支架受載不均，易出現(xiàn)支架受力突增與突降，加劇支架失穩(wěn)。此時，f1見式（5）。

圖10 “支架-圍巖”非均勻接觸受力分析Fig.10 Non-uniform contact force analysis of support-surrounding rock

式中 μ3為頂板與支架非均勻接觸的摩擦系數(shù)。

傾向接觸支架傾倒系數(shù)K為

反傾向接觸支架傾倒系數(shù)K為

1）頂板對支架的摩擦系數(shù)受向背斜頂板冒落形態(tài)影響，中上部支架受載不均，支架與頂板間摩擦系數(shù)小于下部正壓接觸，支架易發(fā)生傾倒。

2）當(dāng)支架間發(fā)生擠咬時，上鄰架對其作用F1將減小，而下鄰架為使其穩(wěn)定，則需提供更大的力F2，下鄰架受反作用力影響，穩(wěn)定性將大大降低。

3）相較于正壓均勻接觸，非均勻接觸時支架穩(wěn)定性差，左右立柱工作阻力差異明顯。在移架后需要及時調(diào)整支架位態(tài)，使得支架與頂?shù)装宄浞纸佑|，使得支架受力均勻，從而降低支架失穩(wěn)的情況發(fā)生。

3.3 工作面倒架分析

花山礦6152工作面于2016年8月開始回采，在推進(jìn)不足2個月便出現(xiàn)支架穩(wěn)態(tài)失效，致使支架傾倒，而后經(jīng)過逾一年的扶架，仍未調(diào)正，最終支架群體傾倒而導(dǎo)致工作面癱瘓，造成超千萬的直接經(jīng)濟損失。6152 綜采工作面安裝74 副ZY8600／25／26型大傾角大采高液壓支架，型式為兩柱掩護(hù)式液壓支架，支架主要參數(shù)見表1。

表1 液壓支架主要參數(shù)Table 1 Main parameters of hydraulic support

現(xiàn)場實測倒架前后工作面上、中、下各部分支架兩立柱的工作阻力，取半月液壓支架工作阻力數(shù)據(jù)情況，如圖11所示。

圖11 12＃支架、43＃支架和65＃支架立柱工作阻力Fig.11 Columns working resistance of 12＃、43＃、and 65＃supports

傾倒前各部分支架上下立柱工作阻力基本一致，而支架傾倒后工作面中部區(qū)域上立柱工作阻力明顯小于下立柱。由此可見，支架失穩(wěn)具有明顯的分區(qū)特征。向背斜的冒落特征對支架影響最大的部分位于工作面中上部，冒落矸石與支架的不均勻接觸造成支架上下立柱受載差異過大，造成支架的穩(wěn)態(tài)失效。且支架與復(fù)雜的向背斜頂板接不實，抽冒片幫現(xiàn)象頻發(fā)，導(dǎo)致采高超限發(fā)生傾倒。

此外，倒架主要原因還有：①工作面采用大采高支架，重心高，支架過重。②防倒滑裝置缺失。③側(cè)調(diào)護(hù)裝置故障。④支架工拉架操作不當(dāng)。牽一發(fā)而動全身，單個支架傾斜后若沒有扶正，影響整個支架群，形成多米諾骨牌式支架傾倒。

3.4 支架穩(wěn)態(tài)控制方法

工作面中上部為支架傾倒多發(fā)區(qū)，根據(jù)受力分析及倒架原因提出以下支架控制方法。

1）工作面推進(jìn)過程中，可采用淺截快推、小步快走的操作方法，使頂板懸露面積處于一個可控的較為穩(wěn)定的狀態(tài)，防止大規(guī)模片幫抽冒的發(fā)生。移架拉架后，支架存在傾斜或傾斜趨勢時，要及時調(diào)正支架位態(tài)，保持動態(tài)節(jié)奏，實現(xiàn)支架穩(wěn)態(tài)控制。

2）盡量減輕架重，選用適中的工作面支架。工作阻力越高支架越重，高工作阻力的重型支架不利于大傾角綜采工作面的支架穩(wěn)態(tài)控制，必要時應(yīng)向廠家定制適用于大傾角綜采的輕型支架，以確保安全高效生產(chǎn)。

3）安裝可靠的防倒滑裝置。單方面考慮拉架操作的靈活性而忽視支架的穩(wěn)定性是不行的，安裝大傾角綜采支架專用的上頂下拉式防倒防滑裝置，提高支架整體性，變相增加了支架底座寬度，降低支架傾倒概率。

4）盡可能創(chuàng)造條件實現(xiàn)帶壓移架的效果，采用“少降快拉”的拉架方法。具體操作方法是：移架前將待移架的拉架千斤頂液壓控制閥手把置于拉架位置，再謹(jǐn)慎地將立柱控制液壓閥手把打到降架位置，在拉動支架的瞬間將立柱控制液壓閥手把打到零位（不升不降）。但是需要操作工人學(xué)習(xí)并熟練，完全掌握后可同時操作降架拉架。

5）重點關(guān)注工作面中上部傾倒多發(fā)地帶，并加強礦壓監(jiān)測及超前預(yù)報。對于大傾角綜采復(fù)雜的頂板冒落形態(tài)，使用礦壓監(jiān)測儀器計算預(yù)測來壓狀況，及時分析工作面礦壓監(jiān)測出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象并及時處理，在來壓前將支架恢復(fù)至正常工作狀態(tài)，確保支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定。應(yīng)將傾向空間上“支架-圍巖”系統(tǒng)的穩(wěn)定與走向時間上來壓監(jiān)測及超前預(yù)報相結(jié)合，共同實現(xiàn)大傾角煤層液壓支架的穩(wěn)態(tài)控制。

4 結(jié) 論

1）結(jié)合大傾角煤層走向長壁綜采工作面初次來壓與周期來壓礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，得出沿傾斜自下而上頂板冒落呈非對稱的向斜與背斜形態(tài)，沿走向上頂板冒落呈谷峰相間（鋸齒狀）形態(tài)。

2）分析頂板冒落形態(tài)與支架相互作用關(guān)系，可分為正向均勻接觸以及非均勻接觸。支架穩(wěn)定性與煤層傾角、支架自重、支架與頂?shù)装迥Σ料禂?shù)、支架工作阻力以及上下臨架之間的相互作用力有關(guān)。頂板復(fù)雜的向背斜冒落形態(tài)使大傾角工作面支架上下立柱受力不均衡，支架失穩(wěn)具有明顯的分區(qū)特征，中上部區(qū)域支架位態(tài)變化最為明顯，支架穩(wěn)態(tài)失效頻發(fā)。

3）針對大傾角綜采工作面頂板冒落后復(fù)雜的“支架-圍巖”關(guān)系，提出一系列支架穩(wěn)態(tài)控制方法。對于現(xiàn)支架不具備的“帶壓移架”功能，采用“少降快拉”移架方式。安裝可靠的防倒滑裝置，減輕架重，并在支架出現(xiàn)傾斜趨勢時及時調(diào)架，保持移架的動態(tài)穩(wěn)定。加強來壓預(yù)測預(yù)警，確保大傾角煤層走向長壁綜采工作面安全高效生產(chǎn)。