斜沟煤矿综采大采高顶板稳定性优化研究

方青龙

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西 吕梁 033602）

1 概 述

斜沟煤矿位于地震带东侧，处于地震多发地，历史上曾发生大地震8 次，其地质复杂，围岩呈破碎状。大采高综采主要集中于二煤中，二煤为单斜构造，由于褶曲构造的影响，煤层高低起伏明显，倾角为8°～15°，最大可达20°，煤层开采厚度为4～10 m，韧性为9～10。该煤矿煤层构造简单，下层为夹矸，上层主要为砂岩，泥岩居多。对已经施工完成的工作面分析看，煤矿倾向节理发育较好，方位为北东40°～80°，与工作面的夹角为30°。

2 综采大采高顶板稳定性分析

2.1 顶板失稳影响因素

1）地质因素。对于斜沟煤矿来说，地质条件对大采高综采的影响主要有四方面：①火烧坡背斜构造对综采的影响。斜沟煤矿有褶皱发育，褶皱构造会造成水平挤压力与剪切力形成，煤层发生滑动或流动。岩层受力后，会出现小裂隙、节理等构造，从而造成吸水脱落，发生冒顶等事故；②地质变动与地质应力影响。地质变动与地质应力作用会使煤层中的围岩破碎，产生节理、裂隙等。随着节理的发育，转变为裂隙，裂隙的增多、密度加大使煤层片帮、冒顶；③岩层的胶结物组成的影响。斜沟煤矿胶结物以粘土、泥质为主，顶板滑移发生概率大；④大采高综采为顶板布置，碳质泥岩作为伪顶，遇水易破碎、层理发育快。粉砂岩为直接顶，分布不均，且水平与垂直节理胶结不牢固，易演化为滑面，滑面垂直载荷弱，易造成失稳。

2）矿压因素。由于斜沟煤矿已进行多个工作面开采，该大采高综采面处于应力集中区，顶板破坏严重，压力集中，冒顶概率较大。随着开采高度与强度的不断加大，顶板的压力会进一步增强，破坏围岩整体性，裂隙发育概率增大，稳定性降低。

3）工程因素。工程因素是顶板是否稳定的关键因素。大采高综采推进在没有控制好煤炭层位的情况下，会破坏工作面顶板的完整性，造成冒顶等事故的发生。在这样的情况下，科学合理的支架工程就至关重要，支架需与顶板接触紧密并且达到煤层所需的支护强度，接顶严密，发生顶板垮落现象后，可使支架起到较好的支撑作用，保证顶板稳定性。在实际工程中，操作人员还应及时移架、护帮，保证顶板稳定。

2.2 斜沟煤矿工作面生产条件分析

图1 为斜沟煤矿的工作面布局图，该工作面处于斜沟煤矿井田南侧，回风巷在风井东南方1 300 m处，运输巷在井口东南侧1 610 m 且与回风巷平行；工作面切眼上、下口在56 号勘探线北30 m 与64 m，停采线在54 号勘探线北方450 m。工作面井下在风井筒南方130～2 142 m 处。其南侧为火烧坡背斜构造区，西侧为Y110204 采空区，其间有安全煤柱，东侧为泄水巷（属于12 采区），北侧为煤柱线。

图1 斜沟煤矿工作面布局图

3 稳定性优化措施与优化效果

3.1 顶板来压控制措施

顶板来压具体控制措施为：

1）在煤矿进行初采时，其来压较小，顶板支架撑力应适当，不宜过大对顶板造成破坏，也不宜过小无法支撑突然离层等现象发生的破坏。额定阻力的计算需通过模型模拟来进行计算，对支架进行模拟可以得出应变与载荷的关系公式：

式中：y为支架的应变值（kg）；X为支架载荷（kg）。

对支架阻力与推进距离进行实际模拟后，可得图2。其中，当阻力大于阻力峰值时，说明老顶来压，通过综合分析可确定规律。

图2 支架阻力与推进距离关系图

经上述分析计算可知，支架额定支撑力设置为10 000 kN 可满足要求。

2）在煤矿进行初采时，架前顶板会发生漏矸现象，需及时调整支架与支架的间距，保证均匀性，来压时还需调整层位保证顶板稳定。采用增加采高的方法，形成煤皮假顶，保证顶板完整，促进顶板稳定。

3.2 片帮现象控制措施

片帮主要包括剪切滑移与失稳破坏2 种主要形式。对斜沟煤矿进行片帮监测可得表1。片帮深度主要在300～500 mm 之间，高度为1.9 m，多发生于煤壁中部，剪切滑移式片为主，属于可控制类型。随着采高的加大会使矿压增强，扩大2 种形式的影响，造成大面积片帮，影响企业生产。

表1 片帮深度分布统计表

通过实际生产分析，发现支架设计时，其前倾和后斜是无法避免的，如采用固定的前倾或后斜角度设计，都会造成顶板稳定性变弱的发生，但又需及时符合角度变化要求，故使用具有伸缩功能的顶梁和可完全伸平、能支护顶板且可移动的护帮板设计，保证支架对顶板的支护作用。

3.3 支架防倒防滑措施

支架的下滑与倾倒主要是由于面顶板的片帮或者冒顶而造成的空顶现象，使顶板约束力减小，当倾倒力矩加大后，支架就会发生倾倒。当倾角变大时，支架就会在自重力和围岩重力作用下发生下滑。其受力分析图如图3 所示。

图3 支架倾倒与下滑受力分析图

针对上述情况，采用的支架防倒防滑措施为：

1）严格控制采煤机顶、底板，防止倾角过大、支架不稳等现象发生。

2）禁止超高开采，加强管理，控制初撑力达标，防止下滑。

3）准备充足的刹顶材料，防止冒顶现象。

4）保持输送机垂直，拉线移架，确保支架排列成一条线。

5）加装防倒、防滑装置，保持稳定性。安装侧挑梁于最后顶梁上方，支护空顶，防止倒架现象发生。

3.4 上-下端头支护控制措施

综采面两巷与端头交叉处会形成局部的剪切变形，控制该区域的稳定性为整体顶板稳定性控制的首要任务。受之前工作面开采影响，岩层具有严重变形，需进行上-下端头超前支护，上-下端头支护主要由端头支架进行顶板支护。对现场进行实际测量得出，需对上端头50 m，下端头20 m 范围进行上-下端头支护。支撑力应高于50 kN，实行实底支柱直设，且支柱应设置在一条线上。

3.5 防治优化效果

在斜沟煤矿采用上述优化支护措施后，结合综合防治措施与管理方法，有效的控制了顶板失稳的发生，保障企业生产。在设计实施的一年中，未发生顶板失稳事故，确保了煤矿开采顶板的稳定性。

大采高综采具有多变、不确定和局部化的特点，顶板在开采中呈现复杂性和不均衡性，对顶板破坏严重。通过上述优化分析，有效解决了顶板失稳问题，提高了企业生产效率。该方法良好有效，支护科学合理，现场支护实景如图4 所示。

图4 现场支护实景图

4 结 论

斜沟煤矿具有顶板多变，不确定性强，顶板失稳局部化的特征。通过对斜沟煤矿综采进行综合研究，分析顶板稳定性影响因素，确定优化措施，并进行了实际测试。在设计实施的一年未出现顶板失稳现象，为其他矿区的大采高综采稳定性研究提供了经验。