综采工作面端头顶板大面积悬顶致灾机理及控制技术研究

＊张建军

（山西省大同市晋能控股煤业集团同家梁矿 山西 037000）

1.综采工作面端头顶板大面积悬顶致灾机理

综采工作面端头处无论是人员作业，还是设备作业都是从端头直接顶位置进行的。因此，只要端头直接顶位置发生变形或者垮落都会导致端头直接顶相邻两边保持固定，而另一弧形斜边则是呈现弧三角状。

图1 综采工作面端头老顶断裂形式与结构模型

当工作面不断向前推进时，工作面端头顶板所承受的弯矩也会随之增大。当端头顶板所承受的弯矩达到最大极限值时，端头顶板就会发生破断垮落。端头顶板破断线因极限弯矩作用发生弧三角变形，当工作面不断向前推进，端头顶板也会不断有弧三角变形发生。按照工作面顶板覆盖岩石的破断规律，通常老顶第一次发生断裂时，其裂缝外形都会呈“O-X”型。当老顶多次发生断裂时，工作面的主体梁和端头形成一个弧三角结构外形。因为弧三角结构所承受的最大弯矩还没有超过顶板所能承受的极限应力，所以顶板不会发生垮落，与此同时顶板端头位置有煤柱、锚索以及锚杆共同支护，因此才导致端头顶板只形成悬顶而未发生垮落。岩块B作为工作面主体梁的重要组成部分，但是在顶板端头发生弧三角变形。由下述模型可知，无论是岩块C还是岩块B都会对端头顶板所承受的压力产生重大影响，尤其是岩块B对端头矿区的变形影响最是明显，图2所示为弧三角受力简图。岩块A、B、C和弧三角块B都是塑性铰接接触，其具体受力情况如图2所示。

图2 弧三角块受力简图

2.端头顶板矿山压力监测与预报

根据矿山压力以及端头顶板运动规律监测，对支架的使用情况进行评价和监测，从而确保支架能够有效工作。通过对现场端头顶板的工作状态进行监测预报，当端头直接顶发生弧三角形断裂时，此时顶板就会发生大面积垮落从而形成咫风，因为支架所承受的阻力相对较小，所以当发生垮落时安全阀也不会自行开启。因此，采用传统压力监测系统无法对端头顶板压力变化进行判断，同时也无法对端头顶板垮落时间进行判断。在端头人员通行位置接头岗位工作人员可以通过离层指示仪对工作面锚杆锚索支护区域以及覆岩层的位移进行监测。同时通过表面位移计对巷道表面以及顶板移动距离进行监测。在监测过程中采用各种观测仪器对端头悬顶情况进行及时记录和分析，当悬顶超过规定范围必须要通知工作人员及时退锚、增加支护以及做好顶板垮落防护措施，从而避免因顶板垮落而造成巨大安全事故。

3.提高端头支架支护质量

当支架参数和支架架型相同时，支架支护状态能够对支架支护质量进行很好的反馈，下述为支架支护状态：

支架支护安装的合理性要通过支撑力的大小、支撑力方向以及支撑力作用点进行反映；支架支撑力实时工作状态通过时间加权阻力大小来进行反映；端头顶板状态以及支架操作质量通过接顶距来进行反映；支架移动位置正确性通过梁端距来进行反映；支架稳定性则是通过顶梁倾斜角来进行反映。在对端头顶板分析管理过程中，端头支架和覆岩层之间的作用是相互的，支架支护状态主要分为限定变形和给定变形两种。在这两种支架作用关系下，有如下两种方法可以对端头支架阻力大小进行确定：

（1）当端头支架处于给定变形时，端头支架主要承受两部分载荷：第一部分是岩柱自身重量；第二部分是给定变形过程中形成的压力。其阻力计算公式如下所示：

式中：∑h表示相应的直接顶厚度，m；

K表示相应的压实系数，GPa；

n表示相应的压实指数；

l表示相应的控顶长度，m；

θ表示相应的直接顶顶层面回转角度，（°）；

θ1表示相应的直接顶底层面回转角度，（°）。

（2）当端头支架处于限定变形时，端头支架主要承受两部分载荷：第一部分是岩柱自身重量；第二部分是弧三角岩块自身回转下沉产生的压力。其阻力计算公式如下所示：

式中：M表示相应的煤层厚度，m；

入表示相应的煤的峰后模量，MPa；

L2表示相应的弧形三角块的侧向跨度，m；

α表示老顶的回转角度，（°）；

x0表示相应的弧形三角块的断裂位置，m。

从计算公式（2）可以明显看出，当老顶回转角非常小时，支架强度只需要很小就可以对老顶回转下沉进行控制。因此初撑力就是控制端头顶板的关键。

支架初撑力增大，接顶距离加大，梁端距离减小，可以让顶板离层减小稳定性增强。同时顶板和支架的水平夹角较小，也可以对支架稳定性进行控制。当端面距离变大时，端面顶板很容易发生冒落。当顶板只有顶梁前段支撑时，顶梁丧失支撑作用，端面顶板发生冒落。

支架倾向角减小，可以增加支架稳定性，从而让支架和顶板之间作用力得到平衡。经过长时间研究调查发现，在进行端头作业时端头支架很容易发生倒架。当端头支架发生倒架时，端头岗位工作人员需要及时对端头支架进行扶正，以便支撑支护质量得到提高。假如端头1#支架发生倒架，工作人员可以将端头支架先清理出来，再对安全阀进行关闭，然后，将支架升起，此时支架扶正完成，最后，再将支架初撑力升紧就可以了。假如，2#，3#，4#支架同时发生倒架，此时就可以通过支架侧板来对支架进行调整，先对侧护板上可以进行调整的支架进行调整，先降下发生倒架的支架，然后在对未发生倒架的支架进行降下，最后在对支架进行扶正矫正。端头支架的支护状态对支护质量的好处影响非常大，因此，工作现场需要对支护状态进行有效调整才能让支护质量得到确保。

4.端头顶板大面积悬顶和退锚技术风险预控管理

风险预控管理其本质就是以风险隐患作为基础，通过制定风险预控措施和规范来对不安全因素进行重点管控，以便工作资源可以进行合理调配，从而让煤矿的安全运行得到有效确保。

当端头顶板发生大面积悬顶时通常都是通过退锚技术来进行处理。根据现场施工规范，当悬顶面积大于50m2或者悬顶高度大于10m时，都必须通过退锚技术来防止悬顶加剧。在进行退锚索操作时，必须确保退锚索距离在4m以内，同时在进行退锚杆时，也得按照由近到远的方式操作。在进行退锚操作后，如果悬顶高度还在不断扩大，那么此时只能通过强制爆破等方式来对悬顶进行有效控制。

作为煤矿安全管理的核心组成，危险源辨识无论是在什么工作时间都是必不可少的，通过危险源辨识可以对各种安全风险进行有效预控，与此同时还可以对安全风险所带来的的损坏和隐患进行准确评估，从而采取合理有效的预防措施。

端头区域无论是人员通行还是设备布置都是相对比较密集的，而且，还专门为每个工作小组配置了退锚人员以及机头岗位工作人员。为了将悬顶灾害造成的损失降到最低，同时还为工作人员的人身安全得到保障，必须及时采取退锚技术来对悬顶灾害进行处理。因此在整个退锚过程中需要对危险源进行辨识，从而确保退锚作业能够顺利成功。

5.结语

（1）本文对工作面端头发生大面积悬顶进行了详细介绍，同时根据调研分析对其发生原因也进行了详细阐述。

（2）根据现场实际作业情况，笔者针对顶板悬顶问题提出了3条安全有效的预控措施。

（3）通过顶板压力监测系统，当顶板发生大面架垮落时会有强烈咫风形成，此时支架所受阻力变小，顶板压力监测系统可以对支架支撑状态进行监测和分析，从而对支架支护质量进行有效提高。

（4）根据现场实际作业情况，笔者提出改善支护质量的措施，以及退锚技术和危险源辨识技术等，对于预防控制顶板悬顶灾害具有非常重要的意义。