大倾角伪俯斜工作面下端头支护阻力研究_王红伟.pdf

第 卷 第 期 年 月西安科技大学学报 .王红伟，蒋宝林，闫壮壮，等 大倾角伪俯斜工作面下端头支护阻力研究 西安科技大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）；山东省重大科技创新工程项目（）通信作者：王红伟，男，湖北随州人，教授，博士生导师，：大倾角伪俯斜工作面下端头支护阻力研究王红伟，蒋宝林，闫壮壮，解盘石，冯 坤，吕建华（西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安；西安科技大学 能源学院，陕西 西安；山东矿机华能装备制造有限公司，山东 潍坊；四川川煤华荣能源有限责任公司 铁山南煤矿，四川 达州）摘 要：大倾角走向长壁伪俯斜工作面顶板破断具有不同于真倾斜工作面的时序性和分区性，其顶板垮落充填特征极大影响了下端头支护安全性，需要针对下端头进行支护优化。采用数值计算、物理相似模拟实验、理论分析等综合方法，结合多个大倾角伪俯斜工作面实验与现场经验，分析了大倾角伪俯斜工作面顶板垮落充填规律和下端头顶板结构形成特征，建立了下端头三角板力学模型，提出了端头支架支护阻力计算公式。结果表明：大倾角伪俯斜工作面顶板垮落、滑移、充填交错发生，对采空区下部充填具有不均匀性，基本顶破断呈“”动态演化过程，工作面下端头形成梯阶弧形三角板结构，弧形三角板传递至端头支架的载荷呈二次函数曲线分布，得到了下端头无充填时端头支架所需工作阻力计算公式。通过枣泉煤矿大倾角综放开采工程应用，确定了端头支架最小工作阻力为 ，选取 型横式端头支架，保证了端头顶板结构的动态稳定，减少了端头漏冒事故，取得了良好支护效果。关键词：大倾角煤层；下端头支护；伪俯斜；“”破断；弧形三角板；梯阶结构中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，；，；，）：，第 期王红伟，等：大倾角伪俯斜工作面下端头支护阻力研究 ，“”，：；“”；引 言近年来，大倾角煤层开采在理论研究、技术应用与装备研制方面均取得了长足进步，实现了特定条件下大倾角煤层走向长壁综合机械化开采，且随着装备和技术的不断发展，适应综采技术的煤层倾角上限也不断提高。但随着煤层倾角增加，工作面支架受载不均衡且易发生倾倒下滑、煤壁片帮与飞矸频发等难题凸显，为了解决上述难题，走向长壁伪俯斜综采技术应运而生。四川华蓥山广能集团李子娅南井 和 工作面、绿水洞煤矿 工作面尝试采用伪俯斜走向长壁综采方法。重庆松藻煤电公司逢春煤矿 工作面成功采用大倾角（急倾斜）薄煤层伪俯斜综采技术。工作面伪俯斜布置，减小了工作面倾角，有效避免工作面煤壁片帮和“飞矸”灾害，降低垮落矸石下滑和非均匀充填程度，提高了工作面支架整体稳定性，提升了工作面产效。针对大倾角工作面顶板破断特征及结构变异特征，国内学者做了大量研究。伍永平等根据工作面中部垮落顶板对采空区下部的充填作用和对上部已成空间的“负约束效应”，分析了工作面中下部顶板垮落受限制的非均衡特征，揭示了大倾角煤层走向长壁工作面基本顶“”破断机理。王金安等采用弹性力学理论，建立了大倾角采场基本顶四边固支倾斜弹性薄板力学模型，提出了基本顶“”型初次断裂模式。张益东等建立了大倾角煤层仰（俯）采采场顶板弹性薄板小挠度弯曲力学模型，提出了基本顶“”型破断模式，揭示了基本顶初次破断和周期破断力学机理。解盘石等采用物理相似模拟实验和数值计算方法，分析了大倾角伪俯斜采场顶板运移规律，揭示了具有伪俯斜采场基本顶非对称“”破断特征。以上研究初步揭示了大倾角工作面顶板破断特征，提出了不同基本顶破断形式，认为在工作面下端头形成了“弧形三角板”结构。大倾角伪俯斜工作面依旧存在诸多难题，特别是下端头支护稳定性问题，其设备空间关系复杂、空顶面积大、顶板稳定性差的特征极易引发端头顶板事故。受伪俯斜布置影响，开采过程中沿倾向不同区域顶板垮落的时序性和分区性特性更为复杂，基本顶初次断裂和周期断裂结构发生变异，在下端头顶板形成弧形三角板结构，其动态演化导致端头顶板控制困难。因此，分析大倾角煤层伪俯斜综放工作面端头弧形三角板稳定性，确定合理的端头支护阻力，对工作面下端头稳定性控制具有重要作用。伪俯斜采场顶板破断特征 直接顶垮落滑移规律大倾角煤层走向长壁真斜工作面直接顶破坏滑移具有明显的时序性和分区性。直接顶破坏顺 序依次为工作面中部区域、上部区域、下部区域。中部区域直接顶破坏产生破碎顶板和矸石，沿工作面滑移充填下部区域采空区，并对下部区域顶板形成支撑。在某些情况下，中部、上部区域直接顶破坏后的破碎顶板和矸石充实了下部区域采空区，导致该区域直接顶不发生垮落。大倾角走向长壁伪俯斜工作面直接顶破坏滑移特征与真斜采场相比有明显的不同，受伪斜角影响，工作面液压支架对垮落直接顶有阻止其下滑的作用力，结合底板摩擦力，使部分垮落直接顶保持稳定，不发生滑移。如图 所示，工作面中部直接顶垮落在底板倾斜中部，然后工作面上部直接顶垮落在底板倾斜上部，接着工作面下部低位直接顶垮落在底板倾斜下部。当工作面继续向前推进时，随着支架前移，位于底板倾斜上部的垮落直接顶滑移并压在底板倾斜中部的垮落直接顶上；当受力失衡时，底板倾斜上、中部的垮落直接顶滑移并充填采空区下部，受充填效应的影响，工作面下部高位直接顶不发生垮落，工作面中、上部直接顶再依次发生垮落滑移。直接顶垮落顺序依次为倾斜中部、上部、下部；支架前移后，上部、中部垮落直接顶依次滑移，充填下部区域，形成“充填矸石有效支撑区域”。基本顶破断规律 受伪斜角和充填效应的影响，大倾角伪俯斜采场基本顶破断时序依次为：采空区后方边界处首先出现塑性破坏，接着在工作面边界处出现塑性破坏，接着在采空区上部边界处出现塑性破坏，采空区下部区域受上部区域顶板垮落后的矸石充填作用，塑性破坏滞后，基本顶形成“”型破断。“”型破断形成后，破断裂纹顺时针扩展，基本顶先在采空区中部产生破断，然后在采空区上部产生破断，最后在采空区下部产生破断，最终形成“”型破断。“”型破断产生后，采空区下部边界处基本顶产生破断，使“”型破断转化成“”型破断，呈现出基本顶“”破断演化特征，如图 所示，体现出大倾角走向伪俯斜采场基本顶破断的分区性和时序性。图 直接顶垮落充填滑移示意 ，图 基本顶塑性区演化特征 受顶板垮落矸石非均匀充填约束，基本顶“”破断演化，在工作面下端头形成弧形三角板结构，该结构滞后垮落区域，导致下端头处顶板来压强度小，易形成大面积悬顶，支护问题较为 西 安科技大学学报 年第 卷第 期王红伟，等：大倾角伪俯斜工作面下端头支护阻力研究突出。下端头弧形三角板形成特征大倾角伪俯斜工作面基本顶“”破断后，在工作面端头处的岩层形成弧形三角板结构。以大倾角综放工作面为例，弧形三角板结构从下向上依次为顶煤弧形三角板、直接顶弧形三角板和基本顶弧形三角板。图 顶煤弧形三角板 图 直接顶弧形三角板 ）顶煤弧形三角板。大倾角综放工作面端头区域和过渡区域不放顶煤，以保证此区域支架稳定。下端头顶煤可简化为弹性薄板，根据弹性薄板力学分析，顶煤弹性薄板破断后形成顶煤弧形三角板，其特征表现为强度低、节理裂隙发育、尺寸小、弧度大，如图 所示。完整的顶煤弧形三角板能够承担和传递上覆岩层载荷，防止矸石冒落造成人员伤亡和设备损毁。）直接顶弧形三角板。端头区域直接顶受工作面煤壁、采区煤柱和未冒放顶煤的支撑，根据弹性力学计算和对两边固支矩形板的分析可得，端头处直接顶会在顶煤弧形三角板上方形成直接顶弧三角形悬板，如图 所示，其特征表现为层理发育、易破碎。）基本顶弧形三角板。根据弹性力学理论和基本顶“”破断形态可知，基本顶周期破断后在端头区域形成弧形三角板，其特征表现为强度大、厚度大、尺寸大、弧度小。在空间尺度上，弧形三角板尺寸由下至上依次增大，在端头上方形成了沿倾向和走向的梯阶弧形三角板结构，如图 所示。图 中、分别是顶煤、直接顶、基本顶弧形三角板平行于工作面的边长，分别为顶煤、直接顶、基本顶弧形三角板平行于巷道的边长；，分别为顶煤、直接顶、基本顶厚度。上、下端头弧形三角板梯阶结构和工作面中部顶板破断形成采场三维非对称多级梯阶状壳体结构。直接顶或基本顶破断垮落后会形成多个弧形三角板，因此直接顶弧形三角板或基本顶弧形三角板本身就存在多层梯阶结构，为便于分析计算，将其简化为一个弧形三角板。图 下端头弧形三角板梯阶结构 随着工作面向前推进，采空区下部未充实的情况下，弧形三角板会发生周期破断，且具有以下特点：破断时序为顶煤弧形三角板、直接顶弧形三角板破断、基本顶弧形三角板；顶煤弧形三角板破断周期最短，直接顶弧形三角板次之，基本顶弧形三角板最长；同一层位上端头弧形三角板较下端头弧形三角板先发生破断，且下端头破断位置滞后于上端头；受伪斜角影响，上端头弧形三角板为锐角形，下端头弧形三角板为钝角形，且上端头弧形三角板尺寸大于同煤层倾角条件下真 斜工作面上端头弧形三角板，下端头弧形三角板反之；当伪斜角达到一定程度时，下端头弧形三角板尺寸小于上端头。下端头合理支护阻力研究 下端头支护形式下端头顶板受工作面煤壁和回采巷道煤壁固支作用及端头支架支撑作用，较为稳定，基本不发生强矿压灾害。除小范围冒顶漏矸外，垮落矸石对端头支架接触和冲击导致支架易发生摆尾、倾倒现象，影响“支架围岩”系统稳定。简言之，下端头区域灾害形成的关键是下端头“支架围岩”系统稳定性控制，直接影响因素是与下端头支架直接接触的弧形三角板稳定性。以大倾角综放工作面为例，为保证工作面下端头安全，顶煤弧形三角板需实现以下 点：挡矸，阻挡上方顶板发生破断后产生的可能造成端头处设备损毁和人员伤亡的垮落顶板和矸石；自稳，避免其自身破坏后产生的煤块对端头处的支架、设备和人员造成影响。为了实现以上要求，需要端头支架与顶煤弧形三角板共同承载上覆载荷，保证顶煤弧形三角板不发生宏观破坏。图 下端头支护形式 工作面顶板具有承载和传递载荷作用，保持顶板结构完整对工作面端头支护有重要意义。优化端头支护方式要遵循“三个保证”原则：保证端头顶板结构完整，保证端头顶板不发生应力集中，保证巷道的支护安全和正常作用。巷道与端头处紧密联系，对端头支护的优化势必引起巷道形状和支护的变化，而传统大倾角工作面回采巷道采用水平矩形断面，导致巷道顶板和工作面顶板不在同一层面上，阻断了部分煤岩层的应力传递路径，易造成应力集中，引起端头顶板破坏。因此，采用异形断面使巷道顶板与工作面顶板位于同一层面，保持端头顶板的完整，如图 所示。弧形三角板稳定性分析将弧形三角板视为载荷传递结构，其上覆岩层载荷简化为作用在基本顶弧形三角板上的均布载荷，方向竖直向下，叠加基本顶、直接顶、顶煤弧形三角板重力传递至端头支架。由于采空区下部矸石充填不均匀，在端头处形成“空域”，考虑安全性和容错性，认为下端头弧形三角板下无充填作用，故顶煤弧形三角板传递至端头支架的力，即为端头支架所需支护阻力。弧形三角板梯阶结构受力如图 所示，为上覆岩层传递下来的均布载荷，合力为 ；为端头支架和巷道煤壁对顶煤弧形三角板支撑力，为顶煤弧形三角板面积；，分别为顶煤、直接顶、基本顶弧形三角板重力；，分别为顶煤、直接顶、基本顶对各自弧形三角板的支撑力；，分别为，在垂直于煤层方向上的分力；，分别为，在平行于煤层方向上的分力；为顶煤弧形三角板和直接顶弧形三角板间的摩擦力；为直接顶弧形三角板和基本顶弧形三角板间的摩擦力。端头处保持稳定需要达到受力平衡需满足以下条件 （）（）其中各三角板垂直煤层的分力计算公式为|（）式中 为煤层倾角，（）。图 弧形三角板梯阶结构力学模型 下端头支架支护阻力确定 弧形三角板受力分析以顶煤弧形三角板为研究对象，为简化计算，将图（）顶煤弧形三角板简化为三角板，工作面煤壁侧边长，巷道煤壁侧边长 分别为，西 安科技大学学报 年第 卷第 期王红伟，等：大倾角伪俯斜工作面下端头支护阻力研究夹角为，如图 所示。图 伪俯斜工作面顶煤弧形三角板简化 由于液压支架主要对顶板提供垂直接触面的支撑力，根据 数值计算分析结果，得出三角板，边所受支架的支撑反力呈现“中间高、两侧低”特征，基本符合二次函数曲线分布，如图，图 所示，因此，以 点为原点，建立柱坐标系，工作面下端头三角板