综采工作面端面顶板失稳规律及支护对策

赵一伟

(山西阳煤集团二矿 生产技术部，山西 阳泉 045000)

0 引言

在煤矿综采工作面推进过程中，端面冒顶不仅会影响工作面正常生产循环，更会影响综采面的生产安全。文中以某矿S2108工作面为研究对象，分析工作面端面顶板冒落失稳规律，结合支架与围岩相互作用关系，提出工作面端面顶板稳定性控制技术，实现综采面的安全开采。

1 S2108工作面基本情况

某矿S2108工作面煤层底板标高+419～+445 m，埋藏深度518～548 m，采高3.2 m，煤层平均厚度5.6 m，煤层厚度变化不大，属较稳定煤层。直接顶厚1.10～1.70 m，为泥岩、砂质泥岩，节理裂隙发育，强度较低。

工作面采用走向长壁放顶煤一次采全高综合机械化采煤法，选用ZF8000/20/38型支撑掩护式支架，全部垮落法管理顶板。据观测，直接顶初次垮落步距为8～15 m，老顶初次垮落步距为30～45 m，周期来压步距为10～15 m。

2 工作面端面顶板的失稳规律分析

2.1 建立数值计算模型

根据该矿S2108工作面煤层地质和开采技术条件，采用FLAC3D数值模拟软件建立数值计算模型，并对其进行模拟分析。由于该工作面直接顶节理裂隙发育，决定采用多节理材料本构模型模拟分析，定义几何形状和材料参数，构建壳型结构单元模拟支架顶梁，将壳型构件的边沿使用塑性铰接完成对支架前后支柱的模拟，利用壳结构单元来模拟支架与围岩的相互作用关系。此模拟方式能够全面、系统地反映S2108工作面顶板应力场分布规律和破坏场分布规律，为提高端面顶板支护强度提供重要的数据指导。具体模拟方案参数如下。

设置液压支架的支护强度参数：支架工作阻力分别取2 400 kN、4 000 kN、5 600 kN、6 400 kN、7 200 kN和8 000 kN。

设置支架前后工作阻力参数：调整支架前后支柱工作阻力参数。

2.2 工作面顶板应力分布规律

通过模拟，得到支架支护条件下工作面顶板最大主应力场与破坏场分布情况，以此为依据分析工作面顶板应力场变化规律、破坏场分布规律。在液压支架额定工作阻力范围内，工作面支架上方顶板以及煤壁前方顶板稳定性较强，不易出现冒顶现象，但工作面煤壁前方顶板中会出现塑性破坏区域，破坏形式主要为压剪破坏。

2.3 支架工作阻力对端面控顶的影响

工作面支架工作阻力是影响端面顶板控制的重要因素，支架与围岩系统相互作用导致了端面顶板的失稳破坏。分析不同支架阻力对端面顶板的控制效果，当支架工作阻力较小时，顶板变形量较大，破坏了顶板的完整性；当支架工作阻力较大时，顶板变形量较大，发生冒顶概率较大。

根据模拟参数计算得出工作面端面顶板受拉力与支架工作阻力之间的关系曲线，确定工作面推进过程中合理的工作阻力，进一步了解工作面端面顶板的破坏程度与支架工作阻力之间的关系。端面顶板稳定性随着支架支护阻力的增大随之增大，当控制支架工作阻力达到额定工作阻力的80%以上时，能够保证端面顶板的支护强度。

2.4 支架前后支柱工作状态对端面控顶的影响

支架前后支柱工作阻力对支架顶梁的稳定性有一定影响，通过改变支架前后支柱工作阻力比值，分别设定为0.81、0.92、1.22、1.37。分析支架顶梁应力分布特点以及支架与围岩的变形特点。通过计算可知，当支架前柱工作阻力小于后柱阻力时，支架后部承受顶板压力较大，不利于支架的稳定；当支架前柱工作阻力大于后柱阻力时，有利于支架的稳定。另外，随着工作阻力比值的变化，在某区域出现一分界点，此处支架顶梁上方顶板压力保持不变。

通过分析可知，在支架工作阻力不变的条件下，支架顶梁前端顶板压力随着支架后柱阻力的增大而减小，这表明支架对前端顶板承压较大，易破坏顶板完整性，不利于顶板的控制，易造成冒顶事故，影响工作面生产效率。

当支架前柱工作阻力大于后柱工作阻力时，支架顶梁前端顶板压力较大，端面顶板控制效果较好，有利于支架的稳定。考虑到对支架后方顶板的有效支撑，取支架前后柱工作阻力比为1．2，就能同时满足支架后方顶板的有效支护。因此，在确保支架工作阻力为额定工作阻力80%以上的情况下，合理的前后柱工作阻力比为1～1．2。

3 工作面端面顶板稳定性控制技术

支架与围岩相互作用导致支架前方顶板破碎失稳，进而造成综采面端面冒顶。通过分析S2108工作面端面顶板稳定性的主要影响因素，从优化工作面回采顺序，合理控制推进速度以及液压支架的质量监控等方面入手，提出S2108工作面端面顶板稳定性的控制技术。

3.1 改善综采面支护方法

采用注浆法支护顶板，保证了工作面围岩的整体性，并制定合理的支护方案，一旦工作面发生冒顶事故，能够及时采取相关措施控制顶板，降低因突发事故对综采面正常推进造成的影响。

3.2 改进工作面工种配合方式

以采煤机为中心合理安排循环作业，采煤机作业后及时布置护帮板，迅速移架。

3.3 优化液压支架参数

使前柱工作阻力大于后柱工作阻力，提高支架的初撑力，有利于端面顶板的控制。

4 结论

(1)通过适当提高液压支架支护阻力增加顶板稳定性，在不超过支架额定工作阻力的情况下，所选支架能够承受顶板压力，但在煤壁前方顶板出现塑形破坏区域，破坏形式主要为压剪破坏。

(2)综采面支架前后柱工作阻力比值是影响端面顶板控制效果的重要因素，前后柱阻力比为1～1．2，能有效地控制工作面顶板的稳定。

(3)优化工作面回采顺序，合理控制推进速度也能有效地控制工作面顶板的稳定。