特厚煤层综放工作面顶煤运移规律研究

默建涛

（霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿，山西 临县 033200）

1 工程概况

庞庞塔矿9-101工作面位于9#煤一采区，采区地面标高为+1153～1313m，工作面标高为+730～851m，工作面主采9#煤层，煤层均厚11.8m。工作面呈一单斜构造，倾向为东西向，走向为南北向，煤层倾角12～36°，平均24°。煤层直接顶为泥质灰岩，基本顶为砂质泥岩，直接底为泥岩，均厚1.5m，基本底为细粒砂岩，均厚2m。工作面总体呈较平缓的单斜构造形态，局部波状起伏，工作面采用综采放顶煤走向长壁采煤法，设计采高为3.2m，采放比为1:2.69。

2 顶煤破坏与运移机理分析

煤层埋深、煤体自身硬度、煤层夹矸情况、采动应力大小、支架阻力以及放煤步距等都是影响顶煤破坏、运移的因素，主要分析顶煤在工作面超前支承压力以及液压支架影响下的破坏和运移规律。

2.1 超前支承压力对顶煤运移的影响

顶煤中宏观裂隙的发展情况，决定综放工作面顶煤能否顺利放出。放煤口上方的顶煤只要能够和上部以及周围的煤体有着力的作用，就不会有特别明显的以至于导致顶煤不稳定的宏观裂隙产生，仍会与其他部分的煤体保持为一个完全体，因此不会发生顶煤煤体破坏而表现出散体现象。所以可以把顶煤运移过程看成为从破坏前煤体所表现的完整状态到破坏后煤体所表现的散体状态的变化过程（如图1所示），这种变化过程包含了顶煤内原生与次生裂隙发育扩展到裂隙相互连通而导致煤体力学性质发生变化的过程，到最后发生煤体破坏，表现为散体状态。随着工作面的不断推进，由上覆顶板在采空区的下沉所产生的弯矩势能作用在煤体上，也就是所谓的超前支承压力作用，在超前支承压力作用较为严重的地方，顶煤内原生裂隙会不断发育，次生裂隙急剧增加，这种变化会不断扩大，最后产生位移和破坏。综放工作面顶煤的破坏，实际上是一个顶煤裂隙扩展贯通，微观损伤不断发展，进而产生宏观运移与破断的过程[1]。

图1 综放工作面顶煤破坏区域分析图

2.2 液压支架对顶煤运移的影响

（1）支架阻力的影响

在综放工作面推进过程中，在采煤机进刀割煤后液压支架前移来支撑顶煤，这个过程中综放工作面顶煤受到支架反复且频繁的支撑作用，顶煤在上覆岩层动载作用下所形成的原生裂隙在支架的频繁支撑作用下不断发育扩展，最后充分破碎。合理选择支架的工作阻力以及初撑力，既能保持工作面顶板的稳定性，又能有利于顶煤的破碎。如果设定的支架初撑力较小，由于自重的作用，与支架所接触的煤体作用在支架上，其内部裂隙会进一步扩展，此刻若顶煤煤体重力所产生的作用力大于支架的工作阻力，则会发生顶煤在垂直以及水平方向上的运移，进而使顶板发生离层。虽然这样会使顶煤放出时比较容易，但会出现另一个更为严重的情况，顶板下沉、冒顶事故发生的概率增大，使工作面不能够稳定且安全地进行生产。

为了能够设定支架合理的初撑力以及工作阻力，在9-101综放工作面进行设定支架不同初撑力以及工作阻力的情况下工作面煤壁附近冒顶状况的实测，如图2和图3所示。

由图2和图3可知，在综放回采工作面，液压支架的初撑力以及工作阻力设置的过大与过小都会造成工作面顶煤冒落高度与冒落次数的增加。在9-101综放工作面，支护强度在6860～7500kN范围内所达到的效果最好。

图2 不同初撑力及工作阻力下工作面冒顶高度

图3 不同初撑力及工作阻力下工作面冒顶次数

（2）支架掩护梁角度与顶梁长度的影响

在一定条件以及同样的推进距离情况下，改变综放工作面支架顶梁的长度，会使支架的移动次数发生改变。因为支架移动次数的增加，增大了综放工作面顶煤源自支架来回的支护作用，如果加大支架的顶梁长度，保持支架的其他条件不变，这样可以使得支架后端的支撑强度在弯矩的作用下大于支架前端，促使液压支架后面的顶煤得到充分破碎，使顶煤的放出更加顺利。综放工作面支架的保护梁角度对顶煤的垮落角度与支架保护梁的受力状态有一定程度的相关性，因此顶煤的运动状态也会受到相应影响。

2.3 顶煤变形破坏过程分析

综放工作面在常速回采过程中，工作面顶煤内部从原有裂隙扩张再到破坏，最后从支架顶部后方顺利放出，需要经历一个在一定范围内的过程变化[2]。在工作面推进过程中，首先会发生塑性变形的过程，顶煤内部原有的水平裂隙在受初始采动作用影响下，受上覆岩层动载作用发生压缩闭合，从而促使顶煤在垂直方向上发生变形。随着综放工作面继续回采，工作面前方的超前支承压力的范围以及峰值随之增大，顶煤在垂直方向上产生了次生裂隙，逐渐发生塑性变形。在这个过程中，顶煤与顶板之间以及自身内部中都没有发生离层现象。在工作面前方5～30m范围内，也就是超前支承压力影响最为剧烈的区域[3]，顶煤开始发生剧烈破坏，在这个过程中，顶煤在水平方向的变形不断增大，导致顶煤内部裂隙在原有的基础上进一步扩展、发育。最后就是上覆顶板与支架对顶煤的作用过程，采空区上部的直接顶板在工作面回采到一定距离后发生垮落，根据悬臂梁原理[4]，所产生的作用力作用在顶煤上，由于支架后方采空区一侧对顶煤没有了约束作用，导致顶煤向支架后方的水平移动速率与移近量增加，垂直于水平裂隙得以充分扩展，部分顶煤破碎变成散体状态，顺利放出。在顶煤厚度较厚的地方，会导致下部顶煤破坏程度不够，以至于不能够顺利放出，此时就需要支架进行反复移动支撑，使顶煤能够充分破碎，从而顺利放出。

3 顶煤运移实测

（1）观测方法

运用深基孔位移监测法对本次所要研究的顶煤运移进行实测。在9-101工作面回采巷道内，在不同层位的顶板与顶煤中布置深基点钻孔，并且植入附着细钢丝的逆止爪，这样就可以跟踪当天不同位置所产生的位移和。

（2）测点布置

布置的钻孔直径为65mm，并在回采巷道超前回采工作面100m处进行测点布置，布置测站数为3，测站彼此间距离为5m。每组测站需要布置6个钻孔，底板与孔口之间设置的距离分别为2.5m、1.8m和1.5m。观测孔布置方式如图4所示。

图4 观测孔布置方式图

（3）观测结果

其中一组测站的测点钻孔监测的位移曲线图如图5所示。

图5 位移曲线图

由图5可以得出，监测基点在第一组显示距离工作面34m处，顶煤位移量开始增加，监测基点在第二组显示距离工作面36m处，顶煤位移量开始增加。两组测点显示的顶板位移量都是在距离工作面25m内变化最为剧烈，在25～30m范围内较为平缓，35m后比较稳定。

4 结论

（1）综放工作面在超前支承压力下，顶煤中原有的裂隙不断扩展发育，次生裂隙不断增加，并在水平方向上位移增大。在工作面超前支承压力的作用范围内，将顶煤划分为弹性完整区、裂隙扩展发育区、散体区。

（2）工作面支架设置的初撑力与工作阻力太大或太小都会增加工作面冒顶次数，合理的设置支架初撑力与工作阻力以及支架的顶梁长度与移动频率，能够确保顶板稳定的同时，顶煤能够顺利放出。

（3）通过对9-101工作面回采巷道进行实测，可知与工作面煤壁距离越是接近，测点所显示的位移值越大，其中在距离工作面煤壁5m范围内最大。