厚煤层大采高综采工作面覆岩失稳破断规律及控制研究

段伟

（国家能源集团神东煤炭集团上湾煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209）

1 工作面覆岩失稳破段概述

随着近年来科技和技术的不断发展和改革，刮板运输机和采煤机以及大采高支架等一系列的煤炭开采设施和技术在不断的进步和发展，所以说在大采高综采工作面开采技术方面的工作效率和质量就有很大的的提高。但是相关的研究表明，在地质一样的背景下，不断调整支架的高度，工作面的速度就不得不逐渐加快，所以在进行大采高综采技术进行开采的过程中，围岩支架的失稳性事故发生的概率就不断增加，相比普通的采高工作面来说发生事故的概率更高。在大采高综采工作面开采工作的过程中，片帮和冒顶的事故发生率比较高，而且后果也比较严重。另外，巷道支架保护的保护能力比较低下，所以就会出现支架产生压死或者被破坏的现象[1-2]。

2 工作面覆岩失稳破段规律的探究

2.1 工作面覆岩失稳破段原理分析

相关资料表明，在工作面不断推进的过程中，覆岩结构会产生不一样的变化，其动态演化特征可以说明大采高综采工作面采空区在施工的过程中，垮落的高度是不断增加的，顶层的垮落没办法让采空区得以足够的填充，所以覆岩层的破断会形成一种铰接结构，这种结构如果大于极限扭转下沉量的时候，这个时候的工作面顶板就会形成非铰接结构，但是因为采空区不断被填充，所以如果当上覆岩层的上部分不断增加新的破段体的时候，它们之间会形成一种铰接结构，而这种结构的扭转下沉量就会比极限扭转的下沉量要小，这个过程中就会形成铰接结构，所以大采高综采覆岩层破断的原理就是形成了一种特殊的形态组合，即“组合悬臂梁结构—压实填充结构—非铰接岩梁结构—铰接岩梁结构”。

2.1.1 围岩与大采高综采支护的关系

大采高综采的施工过中支护质量和支护状况有着很重大的作用，它影响着顶板的非铰接结构和悬梁组合结构，这两者的稳定度受到了支护很大的影响，同时两种结构也会影响到支护工作的工作状态。顶板铰接结构对稳定性也有很大的影响，它影响着支架和顶板非铰接结构也影响着悬梁组合结构。与此同时，在顶板悬梁采空区矸石冒落的支护中，顶板的非铰接结构也有很大的影响[3]。

2.1.2 支架与顶板悬梁组合结构的作用关系

当顶板非铰接覆岩被顶板悬梁组合结构支撑的时候，矸石冒落会对顶板覆岩断裂产生不同程度的影响，而且在矸石冒落不断填充和支撑的程度不断提高的情况下。顶板断裂的程度将会不断降低，所以巷道工作面的支撑保护能力应该不断提高，其阻力的重心应该不断往后偏移，这样才可以起到支护保护悬梁组合顶板的作用，从而可以不断提高悬梁组合结构顶板的稳定程度。

2.1.3 支架与顶板悬梁组合结构的作用关系

大采高综采工作的过程中，矸石填充的速度没办法供上采空去区域的顶板破裂速度，而且这个时候如果煤层的顶层采空区域没有得到矸石冒落及时填充和支撑，之后就会得到持续性的破断现象，支护就会对悬梁形态产生作用，所以覆岩层悬梁组和结构对于大采高综采工作面阻力支护还是有很大的影响。

2.2 规律探究

根据相关的研究和资料，再结合大采高综采工作面的施工过程中的实际情况，可以得出覆岩失稳破段的规律。

（1）当进行开采煤层的矿井工作面达到20m时，这个时候就会产生顶板垮落破段的现象，在工作面不断开采的过程中，开采空白的地区顶板就会出现规律性的周期性的破断现象，巷道上面安装的悬梁将会支撑支架。这个过程中，顶板上的覆岩层还没有开始断裂，同时悬梁对于覆岩具有一定的支撑作用。随着开采工作的不断推进，不同部分的覆岩层就会出现不断下沉的现象，这个时候板分层就会开始离层，最后不断的垮塌在开采空旷的地区[4-5]。

（2）当开采煤层的矿井工作面进行到70m的过程中，因为顶层分离层的原因，所以顶板就会不断的掉落，堆积垮落的分层的高度也在不断的增加，这个时候采空去区就会被矸石冒落不断的堆积填充。与此同时，这些矸石也会支撑覆岩层破断的部分，但是因为矸石冒落开始的时候属于压缩的形态，所以说这个时候的矸石冒落处于一种很低的密度形态，也就说明还可以继续压缩，并且可以让顶板下层的空间远远大于预想的极限，这个过程中产生的破碎石块之间并不能够产生岩梁铰接的结构，而是出现岩梁不能铰接的现象。

（3）当开采煤矿的矿井工作面进行到120m的时候，跨络落的覆岩会上升到一定的高度，这个过程中开采空旷的地区的空间会随着工作面的增加，不断缩小采空区的矸石冒落压缩能力就会受到限制，这个时候覆岩层实际下沉的数量，要比允许的下沉量要大很多，并且破断块之间的压力也在不断的增加，而且顶部板块高位需要用很大的力量来保持破断块之间的平衡，这样才可以保证分层顶板结构的稳定程度[6-7]。

所以，在煤层开采的施工过程中，对于顶板覆岩破段不断垮落的现象，可以分析出对顶板覆岩垮断产生影响的主要是采空区的空间。如果采空区域没有得到及时的补充和填补，这个过程中允许的下沉空间就会超出允许的范围，这个时候就会导致破段顶板铰接结构发生变化，从而产生断裂的现象，而这个时候顶板覆岩层不断下沉的空间还是非常充裕的。这个过程中没办法让破断的岩石产生挤压的作用，所以顶板产生的非铰接结构需要利用矸石冒落进行支撑。

3 工作面覆岩失稳破段控制方法

3.1 施工策略

3.1.1 确定支架型号

通过实地测量和研究资料的补充，大采高中场工作面的支护阻力范围在15MN左右，就目前开采煤矿使用的设备来说，大采高煤矿开采设备可以利用zz13000液压掩护型四柱支撑支架，可以结合超前预裂爆破技术进行辅助，达到对顶板的控制效果。

对于上面的四柱支撑支架这一款设备来说是比较适合倾斜角度小于15°，走向倾角度小于等于10°的煤层矿井。这款车架的开始支撑力能达到10128 kN，阻力的占比是77.9%，不过这一款的支撑支架也有很大的优势，切顶力比较强，支护的强度也比较大，所以完全可以符合煤矿大采高综采工作面控制顶板设备操作要求[8]。

3.1.2 顶板坚硬控制技术

应该不断向坚硬顶板进行人工施压，防止在工作面施工工作过程中产生压架的现象和事故，并且在施工的过程中。要让巷道工作面的顶板冒落和悬露不断减少和降低，让顶板工作面的下落高度不断降低，让顶板能量压力的聚集不断减少。

可以采取以下措施：一是进行高压注水，在顶板工作面上，这样可以让顶板工作面岩层的物理性质发生变化，可以让岩层工作面的力学强度不断降低；二是减小老顶工作面的悬顶长度，而且利用的是人工放顶的方式，这样可以让老顶工作面压力减少，进而可以改变顶板工作面稳定的力学强度和稳定程度。

3.1.3 超前预裂爆破技术

为了能够让顶板覆岩的支架控制能力不断增加，大采高综采工作面可以利用预裂爆破技术，对工作面顶板进行处理加工，不过应该避免工作面不断的装药打孔，而且打孔的间距不可以太小，还要考虑到支架的承受能力，顶板的尺寸不可以制作的太大，而且可以设置预裂爆破的距离为20m，这样就可以让工作面的开采工作正常进行，不过应该让装药和钻孔的方式正确保证开展工作的正常进行。

3.2 技术改进

因为煤炭柱体容易产生集中的应力，所以工作面煤岩体很容易产生破碎，从而围岩变形就会比较惨重，这个过程中就需要让锚网索联合支护对巷道进行围护。这样不但增强顶板岩层的抗压能力，还可以增加顶板岩层的承压作用，这种情况下就可以让巷道围岩抵抗得住距离最近的煤层的变形破坏影响，所以就需要利用二次注浆加固的方式，不断提高加强巷道的承压能力，让巷道的稳定程度不断提高。

二次注浆加固的方式如下：首先在巷道轴上面设置五个注浆孔，长度为60m，孔径为85mm，深度4.5m。选择单浆液的水泥作为巷道的注浆液，水泥的材质是P.S 32.5R——普通硅酸盐水泥，在其中可以加入小部分的水玻璃，这样就可以让浆液的流性提高，水泥和水灰的比例是2:1，1：1和0.75：1，水玻璃的浓度在35～42Be之间，水泥和水玻璃的浓度比例是1:1。

最后应该让注浆液处于缓慢升压的状态，正常情况下载0.5～1.0Mpa，最终的液压值在2.0Mpa左右。

4 结论

综上所述，本文介绍了厚煤层大采高综采工作面覆岩失稳破断规律的内容。

（1）在实际的施工过程中，矿井工作面推进高度不同，顶板垮落的破断程度也不一样，会随着深度不断增加，这个过程中顶板破裂的程度加大，采空区空间受到了很大的影响，如果采空区没有得到充分的矸石冒落的填充，那么破裂的程度就会增加。

（2）同时本文还论述了围岩和大采高综采支护之间的关系，支护作用体系对于围岩的和巷道的保护作用很大，跟顶板悬梁组合结构之间是相互的关系。

（3）为了在施工的过程中减少工作面覆岩失稳破段的程度，首先需要先确定好支架型号，利用顶板坚硬控制技术，然后再加上超前预裂爆破技术，就可以让顶层结构达到一种稳定的状态。

（4）在支护技术在工作面也可以有很大的改进，比如可以进行二次注浆加固的方式，这样就可以让工作面开采的过程中得到很好的保障，减少工作面覆岩失稳破断对于煤矿开采造成的巨大损失。

但是，本文的研究还存在诸多不足之处，对于覆岩的失稳破断规律研究的还不是很透彻，缺乏真正的实践数据，希望后期可以及时补充改正。