一、立項(xiàng)原因：

同忻礦3～5#煤層和8#煤層為主要可采煤層，現(xiàn)階段主采3～5#，該煤層煤厚0～35.31m，平均13.67m。煤層頂、底板及夾矸巖性一般為高嶺巖、高嶺質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖，局部為粉砂巖或細(xì)粒砂巖。

以三盤(pán)區(qū)8305工作面為例，截止目前為止，該工作面共來(lái)壓18次，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況了解，每次來(lái)壓情況，包括來(lái)壓時(shí)間、來(lái)壓強(qiáng)度以及來(lái)壓影響范圍各不相同，本文立項(xiàng)的原因就是通過(guò)分析頂板破斷時(shí)對(duì)工作面產(chǎn)生的動(dòng)載，進(jìn)一步掌握基本頂不同的斷裂位置對(duì)工作面產(chǎn)生的影響，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，為減少周期來(lái)壓對(duì)工作面產(chǎn)生的影響，制定合理的安全技術(shù)措施，保證工作面安全高效開(kāi)采。

1. 研究?jī)?nèi)容：

1. 基本頂三種斷裂方式研究及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

   根據(jù)錢(qián)鳴高院士的“砌體梁”結(jié)構(gòu)分析，工作面基本頂破斷以后，會(huì)在上覆形成關(guān)鍵巖塊，將關(guān)鍵巖塊部分簡(jiǎn)化為三鉸拱式結(jié)構(gòu)，巖塊之間的相互鉸接承擔(dān)上覆巖層的重量。隨著工作面的推進(jìn)，鉸接巖塊的滑落失穩(wěn)和回轉(zhuǎn)失穩(wěn)將導(dǎo)致上覆結(jié)構(gòu)需要重新平衡和支撐，具體如圖1所示。

    

   圖1 基本頂斷裂形成的“砌體梁”結(jié)構(gòu)

   從巖層圍巖控制角度來(lái)看，回采空間的液壓支架將承擔(dān)上覆一部分重量，但是由于液壓支架處于上覆巖層破斷后形成的大結(jié)構(gòu)保護(hù)之下，因此，支架才不至于承擔(dān)全部上覆巖層載荷而被壓壞?；卷斊茢嘁院?，上覆巖層形成的大結(jié)構(gòu)發(fā)生滑落和回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的條件與基本頂巖層的層位、厚度、以及堅(jiān)硬巖層以上覆巖的巖性等有關(guān)系，基巖越完整，厚度適中，越容易形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；相反，基本頂斷裂位置不同或者斷裂后形成的“砌體梁”鉸接巖塊發(fā)生滑落和回轉(zhuǎn)變形的位置不同，此時(shí)來(lái)壓對(duì)工作面煤壁以及支架形成的壓力也不同。因此，分析研究頂板不同斷裂位置對(duì)工作面影響在防治周期來(lái)壓影響方面至關(guān)重要，以下主要有三種方式。

1. 當(dāng)斷裂位置在煤壁和支架前方時(shí)

   當(dāng)基本頂超前煤壁破斷時(shí)，破斷巖塊受煤壁和支架共同支撐作用后，會(huì)發(fā)生以回轉(zhuǎn)為主的運(yùn)動(dòng)形式，具體實(shí)驗(yàn)示意圖如圖2所示。

    

   圖2  基本頂超前煤壁斷裂

   當(dāng)基本頂超前工作面煤壁斷裂時(shí)，可將回采工作面圍巖簡(jiǎn)化為圖3所示。

    

   圖3 基本頂超前破斷支架與圍巖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型

   如圖3所示的支架與圍巖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型，當(dāng)基本頂超前煤壁破斷時(shí)，煤壁和支架會(huì)阻止基本頂巖塊的切落，由于支架頂破碎以后對(duì)采空區(qū)充填有限，因此，無(wú)法阻止基本頂巖塊的回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，并且也伴隨著較大的沖擊載荷，此種條件下，如果支護(hù)強(qiáng)度低或者回采工作面支架初撐力不足將導(dǎo)致直接頂和基本頂產(chǎn)生較大的離層，造成工作面嚴(yán)重的事故。此種破斷模式下，回采工作面支架受力時(shí)間比較長(zhǎng)，隨著工作面的推進(jìn)，破斷的基本頂回轉(zhuǎn)失穩(wěn)將對(duì)工作面支架產(chǎn)生重大載荷，支架安全閥開(kāi)啟，煤壁片幫，支架下縮量增大等。如圖4（a）所示為8305工作面第12次周期來(lái)壓期間，工作面支架增阻變化情況。圖4（b）為來(lái)壓時(shí)工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

圖4（a） 工作面支架增阻變化情況

圖4（b） 來(lái)壓時(shí)工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況

因此，由以上分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，當(dāng)基本頂斷裂位置在工作面前方時(shí)，此時(shí)工作面來(lái)壓時(shí)間較長(zhǎng)，持續(xù)步距可以達(dá)到20m，同時(shí)工作面壓力顯現(xiàn)明顯，安全閥開(kāi)啟，煤壁片幫等動(dòng)力災(zāi)害情況。

1. 當(dāng)斷裂位置在煤壁和支架上方時(shí)

   當(dāng)基本頂斷裂位置在工作面煤壁和支架上方時(shí)，容易沿著煤壁整體切落形成動(dòng)載，此時(shí)頂板斷裂位置對(duì)工作面影響最大。具體實(shí)驗(yàn)示意圖如5所示。

    

   圖5  基本頂在煤壁和支架上方斷裂

   當(dāng)基本頂在煤壁和支架上方斷裂時(shí)，將回采工作面圍巖簡(jiǎn)化為圖6所示。

    

   圖6 基本頂在支架上方破斷時(shí)與圍巖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型

   當(dāng)基本頂在工作面支架和煤壁上方斷裂時(shí)，基本頂破斷瞬間會(huì)發(fā)生沿著煤壁上方的滑落失穩(wěn)，由于支架的額定工作阻力和剛度有限，因此，很難完全控制住滑落失穩(wěn)，并且滑落失穩(wěn)在瞬間完成，可以忽略基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)，此時(shí)頂板的破斷對(duì)支架的動(dòng)載系數(shù)最大。如圖6所示的圍巖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型，發(fā)生破斷時(shí)，基本頂瞬間下沉Δh，該值是直接頂離層或者工作面支架初撐力不足導(dǎo)致。

   由于8305工作面直接頂厚度為4.7m，開(kāi)采厚度為12m，因此可以假定采空區(qū)破碎充填的直接頂不會(huì)對(duì)直接頂產(chǎn)生承載，認(rèn)定基本頂破斷瞬間液壓支架的工作阻力能夠平衡基本頂?shù)膭?dòng)載荷、以及基本頂上覆集中載荷、直接頂重量等，因此可以求解出回采工作面支架承受的最大載荷，具體計(jì)算公式如下所示。

   

   式中：F——回采工作面支架承受的最大載荷；

   Q_直——直接頂?shù)闹亓浚?/span>

   Q_基——基本頂?shù)闹亓浚?/span>

   Q_集——基本頂上方隨動(dòng)巖層對(duì)基本頂?shù)妮d荷；

   f_摩——基本頂在下沉過(guò)程中所受切落的摩擦力；

   k——基本頂?shù)膭?dòng)載系數(shù)；

   如圖7所示為基本頂在支架和煤壁上方破斷失穩(wěn)過(guò)程中，8305工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

圖7 基本頂在支架上方破斷時(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況

從圖7中，可以明顯看到，當(dāng)基本頂沿著煤壁和支架上方瞬間滑落時(shí)，工作面支架受到的動(dòng)載荷最大，支架下縮量大，對(duì)工作面安全推進(jìn)產(chǎn)生重要的影響，但是隨著工作面的快速推進(jìn)，破斷的基本頂在支架后方采空區(qū)內(nèi)滑落觸底，工作面支架不再有增阻，支架受力強(qiáng)度大，但是受力時(shí)間相對(duì)較短。

1. 當(dāng)斷裂位置在煤壁和支架后方時(shí)

   當(dāng)工作面推進(jìn)速度較快時(shí)，或者上覆關(guān)鍵巖層發(fā)生破斷時(shí)形成穩(wěn)定的鉸接巖塊，承受上覆主要隨動(dòng)巖層的載荷，不會(huì)對(duì)工作面支架產(chǎn)生影響，當(dāng)隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，上覆關(guān)鍵巖塊鉸接發(fā)生回轉(zhuǎn)和滑落失穩(wěn)后在采空區(qū)垮落。具體簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D8所示

    

   圖8  基本頂在采空區(qū)上方斷裂

   當(dāng)基本頂在采空區(qū)上方垮落后，對(duì)工作面支架影響較小，基本無(wú)增阻現(xiàn)象或者增阻現(xiàn)象瞬間出現(xiàn)，又瞬間消失。根據(jù)8305工作面推進(jìn)過(guò)程中，出現(xiàn)此案例，具體來(lái)壓時(shí)工作面增阻情況如下圖9所示。

圖9 基本頂在采空區(qū)斷裂時(shí)支架受力情況

如圖9所示，1.9日下午16:25分，基本頂在采空區(qū)上方垮落，工作面支架瞬間受力，支架瞬間有增阻，之后壓力又快速退去。但是在頂板垮落的瞬間，工作面支架發(fā)生吹架。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)了解和統(tǒng)計(jì)，下午16:30左右，工作面響了一聲大悶墩，導(dǎo)致工作面后半部分83#—106#支架發(fā)生吹架，共計(jì)損壞伸縮梁千斤31根，護(hù)板千斤4根，探梁千斤2根。具體現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況示意圖如圖10所示。

圖10  基本頂在采空區(qū)垮落瞬間造成的吹架

據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)生此次吹架的原因是因?yàn)榍皟纱蝸?lái)壓不明顯，基本頂垮落不充分，且工作面初撐力不足，導(dǎo)致基本頂在采空區(qū)大面積垮落后形成颶風(fēng)，造成工作面吹架。

1. 控制頂板斷裂方式的因素及安全技術(shù)措施

   根據(jù)以上研究分析內(nèi)容，隨著工作面推進(jìn)，頂板破斷動(dòng)載機(jī)理對(duì)工作面產(chǎn)生的影響，主要與基本頂?shù)臄嗔盐恢糜嘘P(guān)系，分別如下：

   當(dāng)基本頂斷裂且發(fā)生回轉(zhuǎn)和滑落失穩(wěn)發(fā)生在支架和煤壁前方時(shí)，此時(shí)回采工作面支架受力時(shí)間比較長(zhǎng)，隨著工作面的推進(jìn)，破斷的基本頂回轉(zhuǎn)失穩(wěn)將對(duì)工作面支架產(chǎn)生重大載荷，支架安全閥開(kāi)啟，煤壁片幫，支架下縮量增大等。

   當(dāng)基本頂斷裂且發(fā)生回轉(zhuǎn)和滑落失穩(wěn)發(fā)生在支架和煤壁上方時(shí)，基本頂沿著煤壁和支架上方瞬間滑落，工作面支架受到的動(dòng)載荷最大，支架下縮量大，對(duì)工作面安全推進(jìn)產(chǎn)生重要的影響，但是隨著工作面的快速推進(jìn)，破斷的基本頂在支架后方采空區(qū)內(nèi)滑落觸底，工作面支架不再有增阻，支架受力強(qiáng)度大，但是受力時(shí)間相對(duì)較短。

   當(dāng)基本頂斷裂且發(fā)生回轉(zhuǎn)和滑落失穩(wěn)發(fā)生在支架和煤壁后方時(shí)，此時(shí)基本頂在采空區(qū)上方垮落，工作面支架瞬間受力，支架瞬間有增阻，之后壓力又快速退去，但是如果工作面初撐力管理不到位，導(dǎo)致支架接頂不嚴(yán)，采空區(qū)垮落的瞬間會(huì)形成颶風(fēng)，造成吹架事故。

   分析以上三種情況，為盡量減少周期來(lái)壓對(duì)工作面產(chǎn)生影響，應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)影響因素管控，主要有以下幾個(gè)方面。

   加強(qiáng)工作面初撐力管理，支架要一次升緊達(dá)到初撐力，避免多次重復(fù)升支架導(dǎo)致頂煤破壞。

   加強(qiáng)頭尾退錨，保證頭尾懸板能夠及時(shí)垮落，同時(shí)加強(qiáng)工作面來(lái)壓預(yù)報(bào)工作，當(dāng)周期來(lái)壓步距超過(guò)30m仍然未來(lái)壓時(shí)，必須采取可靠的措施處理頂板，防治采空區(qū)頂板垮落形成颶風(fēng)，造成吹架。

   嚴(yán)格控制工作面刀數(shù)，保證推進(jìn)度，盡量避免基本頂在支架上方斷裂滑落，造成對(duì)支架產(chǎn)生巨大的載荷，影響工作面的安全生產(chǎn)。

   煤壁片幫嚴(yán)重時(shí)，要確保端面距不超過(guò)340mm，采取超前二次移架、前伸梁伸出頂住煤幫、護(hù)幫板打開(kāi)護(hù)住煤壁的方法及時(shí)支護(hù)。同時(shí)加強(qiáng)工作面頭尾巷超前支護(hù)強(qiáng)度，保證單體柱支護(hù)數(shù)量夠，支護(hù)強(qiáng)度有效，達(dá)到單體柱初撐力。

   加強(qiáng)機(jī)電設(shè)備檢修和管理，提高開(kāi)機(jī)率達(dá)到85%以上，保證工作面日平均推進(jìn)度不小于5m/日，可減緩來(lái)壓強(qiáng)度和頻率。同時(shí)在來(lái)壓后開(kāi)啟的安全閥全部更換，新進(jìn)支架立柱、安全閥、各種高壓膠管都要進(jìn)行壓力試驗(yàn)，與支架性能要求符合時(shí)方可使用。

   三、主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：

   本文的成果主要是通過(guò)分析基本頂三種斷裂位置對(duì)工作面產(chǎn)生的影響，并用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際來(lái)壓情況進(jìn)一步驗(yàn)證頂板斷裂位置，為避免來(lái)壓不可控位置對(duì)工作面產(chǎn)生的影響，通過(guò)控制推進(jìn)度、做好支架?chē)鷰r控制并制定安全技術(shù)措施，保證工作面安全高效開(kāi)采。

   四、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益：

   做好支架?chē)鷰r控制，人為控制和調(diào)整頂板斷裂位置，減少周期來(lái)壓對(duì)工作面產(chǎn)生的影響，可保證工作面安全高效開(kāi)采，按照周期來(lái)壓期間正常生產(chǎn)和來(lái)壓導(dǎo)致的工作面停產(chǎn)3小時(shí)計(jì)算，可多創(chuàng)收經(jīng)濟(jì)效益250萬(wàn)元           頂板破斷動(dòng)載機(jī)理及對(duì)工作面影響研究