大倾角松软煤层综放采场覆岩运移与控制关键技术研究

冯 斌

(贵州中铝恒泰合矿业有限公司，贵州 六盘水 553000)

综采放顶煤采煤法是我国煤炭工业集约高效生产行之有效的方法，其独特的高产、高效、低耗和安全生产的优越性在我国矿区已得到充分的体现和证实，但是松软大倾角综放工作面因其煤层软、底板软及倾角大等叠加因素的相互作用，造成回采时易发生煤壁片帮、冒顶及设备滑移等现象显著，极大影响了采场围岩的控制，进而阻碍了煤矿的安全高效生产[1-4]。因此，有必要对于影响工作面上覆岩层运移及控制关键因素的进行深入研究。

1 工作面地质概况及出现的问题

1201工作面位于+1200水平，主采煤层2#煤层，厚度4.0～10.0m，平均7.13m；煤层倾角31～48°，平均33°；硬度系数f≈0.1。工作面走向长460m，倾向斜长146m。 直接顶为粉砂岩， 厚5～6.0m，岩层多含泥质或黏土质，易垮落，f=4.00～6.14。直接底泥岩硬度较小，遇水易膨胀，总厚度在7m左右。

1201综放工作面共有液压支架98架，其中过渡架7架。2009年6月该矿综采工作面在初次来压时，煤壁片帮多达4处，发生了工作面支架从第5架至第38架、49架以上全部支架倒架的大规模倒架现象。

2 大倾角煤层开采覆岩运移机理

大倾角煤层开采岩层在自重作用下，直接顶发生弯曲变形的同时，会受到沿岩层层理方向的分力，使得跨落的直接顶向采空区下山方向移动和滑落，因此覆岩破坏的主要范围为采空区偏上山方向。

同时，脆性材料的直接顶顶板易被拉断或剪断，在采空区上方形成一个梁结构支撑其正方的岩体(sc段)，在直接顶顶板中段易形成悬臂的板(es段)，其中下部由于冒落矸石的充填，对顶板起到支撑作用。整个采场覆岩形成不同形态的平衡力学支撑结构，而覆岩顶板两端受到未冒落顶板与冒落矸石的支撑形成“厂”型弯曲结构，随着开采的继续，形成“厂”型弯曲结构移动拱，如图1所示[5-7]。

图1 大倾角煤层开采岩层“厂”型移动模型

在大倾角煤层工作面倾向的回采空间中，上覆直接顶冒落后堆积的矸石对上覆顶板的支撑是运动变化的，上覆直接顶和基本顶随开采进行所形成的铰接 “砌体拱”结构也是在变化的，工作面下段矿山压力显现主要由直接顶下分层引起，工作面上段则基本顶的“大结构”起关键作用。当采场上段岩层处于活动剧烈的不稳定破坏时，采场下段该岩层处于相对稳定的状态，其对采场空间的影响也没有中、上段岩层大。

3 提高煤壁支撑稳定性

松软煤层煤壁自稳性较差，容易发生失稳破坏。综放工作面开挖后，煤壁靠采空区侧是无支护的自由区域，煤体处于二向应力状态，煤壁受力模型可视为平面应变问题，如图2所示。由于顶煤较软且赋存有节理、裂隙，加之顶板压力和支架反复支撑力作用，顶煤往往会十分破碎，如果支护措施不当，会导致支架空顶现象，影响“煤壁-支架-矸石”支护体系对顶板的控制作用。

h—上覆岩层厚度，m；γ—岩层容重，kN/m3图2 煤壁受力分析模型

由于大倾角松软综放工作面中“煤壁-支架”是顶板控制系统中的组成部分，若要避免煤壁破坏失稳，一方面要提高煤壁的稳定性，另一方要提高工作面支架的适应性，具体措施为有以下几点。

1)控制采高。随着采高的增加，煤壁的稳定性逐渐变差，片帮程度越来越剧烈，因此应合理控制采高。

2)加快推进速度。工作面推进速度慢，煤壁暴露的时间长，煤壁片帮加剧。加快工作面推进速度，减少支承压力对煤壁的作用时间，从而降低煤壁的损失破坏，避免或减小片帮的可能性。

3)支架增设伸缩梁加护帮机构。采煤机割煤后，支架应及时支撑护帮板，对煤壁进行预应力支护，防止煤壁塑性破坏的产生。

4)适当加强支架支护能力。合理提高支架初撑力和工作阻力，能有效减小工作面前方煤体的拉应力影响，缓减工作面煤壁片帮冒顶。

4 保证支架支护能力

大倾角工作面由于倾角的存在，支架受到自重及破碎煤(岩)冲击的作用，极易发生下滑和倾倒现象，导致顶板失稳破坏。经统计，倒架、支架下滑基本上是当支架脱开顶板(降柱行走过程)时出现的，所以重点研究支架前移过程中防倒防滑问题。

4.1 支架防倒技术研究

如图3所示，在大倾角综放工作面上，支架正常工作时，支架自重G、底板反力N作用下处于平衡状态。当支架所受合力作用点偏出支架下边缘时，会导致支架倾覆[8-10]。支架处于极限平衡时，根据力矩极限平衡条件，底板反力N作用于O处，此时有式(1)。

G·sinα·H-G·cosα·B/2=0

(1)

即，α=arctan B/(2 H)

式(1)中，支架重心高度H按1500mm，支架宽度B按1360mm计算，支架极限倾倒角α为24.4°，考虑安全系数时，支架在倾角大于20°的工作面会出现倾倒。

图3 支架工作时受力分析

图4 开切眼倾斜-圆弧过渡-水平布置

1201工作面倾角33°，现场将水平分段放顶煤和倾斜煤层放顶煤开切眼相结合，采用开切眼倾斜-圆弧过渡-水平的非线性伪斜布置方式，如图4所示，不仅减小了工作面实际的倾角，而且圆弧段能够对上部支架的倾倒下滑起到限制作用。

除此之外，支架还增设了防倒装置，包括：①支架侧护板千斤顶、侧推弹簧使支架顶梁相互紧靠，保证支架顶梁间没有间隙，始终保持有足够的扶正力，防止倒架；②在邻架顶梁间增设了调架千斤顶，当支架出现倾倒时，以支撑顶板的相邻支架作支点，用千斤顶调整该支架位置。

4.2 支架防滑技术研究

支架在大倾角工作面上不下滑的条件是下滑力小于摩擦力，见式(2)。

G·sinα<μ·G·cosα

(2)

式(2)中，取支架底座与底板间摩擦系数μ为0.3，计算得下滑极限角为18.6°。一般来说，工作面倾角大于15°就要采取防滑措施，具体措施如：①将工作面布置为非线性伪斜，减小工作面实际倾角；②推移杆和底座间隙控制在15～20mm(单侧)，间隙保持不变，控制运输机下滑；③支架推移杆是和输送机连在一起的，因此防止刮板输送机下滑。现场使用中，可以通过控制推移运输机的顺序来调整运输机的位置；④相邻支架底座间设置防滑千斤顶，以有初撑力的支架为支点，调整相邻支架的位置；⑤运输机和支架间设置防滑装置，每隔五架一组，推移运输机时，通过控制防滑千斤顶动作，牵动运输机上下移动。

图5 底座防滑装置

5 结语

本文针对某煤矿1201工作面煤层软、底板软且倾角大的特殊地质条件，在认真研究覆岩运移机理的基础上，通过建立煤壁受力力学模型，提出了控制采高、加快推进速度、增加互帮机构、加强支护能力措施；通过对支架的稳定性分析，提出了加宽支架宽度、工作面伪斜布置、控制支架间隙及增设放倒、防滑装置等措施。通过以上措施，1201工作面基本杜绝工作面片帮、支架倒(滑)等现象，有效控制了采场顶板下沉，确保了安全、高效生产。

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