大倾角厚煤层错层位巷道布置支架稳定性控制技术

毛金峰，王 鹏,2，杨长德，李金波

（1.新疆工程学院 矿业工程与地质学院，新疆 乌鲁木齐830091；2.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京100083）

新疆大倾角厚煤层分布广泛，3.5～8 m 厚、35°～50°倾角煤层约占新疆大倾角煤田储量的40%以上，主要集中在乌鲁木齐、阜康、温宿和拜城等矿区，目前涉及矿井在66 对以上[1]。随着新疆大倾角煤层的开采强度的不断增大，支架下滑、倾倒等问题较为普遍，解决大倾角煤层开采中支架下滑等问题，对实现大倾角煤层安全高效开采具有重要的意义。近20 年以来，许多学者对大倾角煤层工作面安全防护理论与体系从多角度进行了系统的研究，伍永平[2-4]认为大倾角煤层顶板运动是影响“R-S-F”系统稳定的主导因素。解盘石等[5]认为高位梯阶岩层破坏对支架的稳定性有明显影响。王国法等[6]提出了液压支架倾覆力矩平衡的三维支护原理，得到了大倾角工作面液压支架保持稳定的基本条件，杨科等[7]提出了铺金属网带压擦顶追机移架防治支架失稳的方法。贠东风[8]、杨伟[9]、赵麒麟等[10]、李文树[11]等采用了伪斜工作面布置解决大倾角煤层设备下滑及支架倾倒等问题。以上学者以传统工作面巷道布置方式，即工作面两巷沿煤层底板布置为研究基础，从支架自身及顶板对支架稳定性的影响等方面做了大量的研究工作，对指导现场实践具有一定意义，但并未考虑通过优化巷道布置方式解决支架下滑问题。“厚煤层错层位巷道布置采全厚采煤法”是赵景礼1998 年以近水平厚煤层为模型提出的1 种采煤方法[12-13]，在华丰矿[14]的应用解决了沿空巷道冲击地压问题，在王家山矿[15]、唐山矿[16]的应用解决了大倾角煤层设备下滑问题，但是只阐述了起坡段对支架稳定性的影响，并未给出工作面倾角与支架失稳下滑关系的必要条件。错层位巷道布置在新疆尚未有应用案例，以新疆苏杭河矿为例，应用错层位巷道布置分析起坡段支架受力特征，研究支架失稳下滑的必要条件，并结合现场应用为新疆大倾角煤层安全科学开采提供一定的理论和实践依据。

1 工程概况及开采技术难题

Ⅳ14煤层是苏杭河矿的主采煤层，煤层倾角为32°～41°，平均36°，煤层厚度一般在5.23～5.49 m，平均厚度5.4 m。煤的硬度（上部硬，下部软，中间有300～400 mm 的泥岩夹矸）为：上部f=2～2.5，下部f≈1。地质结构相对简单，单斜构造，产状稳定的特点。苏杭河矿为解决大倾角工作面设备下滑问题，前期采用了伪仰斜工作面布置方式。

运输巷和回风巷采用传统巷道布置方式，沿煤层底板布置，工作面下部超前工作面上部10.8 m 推进，设备下滑控制效果甚微，且在开采过程中遇到以下技术难题：

1）支架与煤壁锯齿状接触，护帮板与煤壁接触不充分，夹层下部煤层偏软，煤壁片帮。

2）工作面双巷沿煤层底板布置，煤层下部坚固性系数f≈1，煤质软，且巷道上方为软弱煤体，受工作面开采扰动影响，巷道易变形且维护困难大。

3）生产过程中煤（矸）沿工作面向下滚落，易造成人员伤亡和设备损害。

伪仰斜工作面巷道布置如图1。

图1 伪仰斜工作面巷道布置示意图Fig.1 Schematic diagram of roadway layout of pseudo-oblique working face

2 大倾角厚煤层错层位巷道布置关键技术

2.1 工作面设计

为解决苏杭河矿大倾角Ⅳ14厚煤层24201 工作面设备下滑、飞矸等问题，经过技术论证，改用错层位巷道布置综放开采技术。沿煤层顶板布置半煤岩运输平巷，沿煤层底板掘进回风平巷，大倾角错层位巷道布置如图2。

图2 大倾角错层位巷道布置示意图Fig.2 Schematic diagram of roadway layout with large dip angle

错层位巷道布置方式中一显著特点是工作面存在一起坡段，根据工作面实际条件，在起坡段可以逐渐减小液压支架及刮板输送机倾斜角度，甚至摆平，起坡段示意图如图3。

图3 起坡段示意图Fig.3 Schematic diagram of slope-starting section

2.2 起坡段设计及对设备防滑作用

工作面起坡段通过设备摆平可以增大支架与顶底板间摩擦力，增大刮板输送机与底板间摩擦力，同时降低设备沿工作面倾斜方向的重力分量，从而通过起坡段设备增大对中上部设备的反作用力，起到降低工作面设备下滑及防倒的作用，建立起坡段支架稳定性力学模型[17]，支架受力分析如图4。

图4 支架力学模型Fig.4 Mechanical model of support

以单个支架为例，支架自身重力G，支架顶梁受均布载荷q，相邻支架反作用力Fu、Fd，支架受顶底板摩擦力其受到的摩擦力为F1、F2，B 为支架宽度，θ为起坡段倾角，支架受力处于平衡状态，满足下列关系表达式。

当支架接顶后可保持自身稳定，假设不受Fu、Fd作用，简化式（1）可得工作面倾角与支架稳定不下滑的必要条件，如式（2）：

式（2）中，在支架顶梁受力q 不变的情况下，G、f、B、θ 为常量，θ 为唯一变量，满足线性关系。实际开采过程中24201 工作面从半煤岩运输平巷开始逐渐起坡，每节刮板输送机和液压支架抬升3°，直至第11 架沿煤层底板抬升至36°，f 取值0.5，得到的支架下滑趋势如图5。当采用传统巷道布置方式时，工作面倾角36°，支架下滑趋势大。当采用错层位巷道布置时，随着起坡段角度θ 逐渐减小，支架下滑趋势呈递减趋势，支架稳定性增大。

另外，从式（2）可以发现，支架下滑稳定性还与q 相关，支架不同工作状态q 大小不同，但q 越大，支架稳定性越高，而q 最小时，为支架易下滑状态，因此，支架卸压移架时q 最小，支架最易下滑，因此，现场可采取支架带压擦顶移架的方式，同时，移架后保证初撑力，可有效增强支架稳定性。

图5 支架下滑趋势示意图Fig.5 Schematic diagram of support sliding trend

2.3 工作面设备防倒防滑措施

通过优化工作面巷道布置位置，将工作面下部逐渐变平，很大程度的解决了工作面设备下滑问题。在此基础上，为了进一步满足安全生产，对支架采取防倒防滑措施，上端头液压支架防倒连接如图5，上端头液压支架防滑连接如图6。

图5 上端头液压支架防滑连接Fig.5 Reverse connection of upper end hydraulic support

图6 上端头液压支架防滑连接Fig.6 Non-slip connection of upper end hydraulic support

3 采场矿压显现规律数值模拟分析

3.1 模型建立

为了分析大倾角煤层错层位巷道布置工作面的矿压显现规律，采用FLAC3D进行数值模拟研究。数值模拟的准确性取决于模型建立、本构模型选择和岩体参数选取等。因此，采用ANSYS 内置建模建立模型，建模采用随机网格，避免网格生成人为设定的影响，模型尺寸为240 m（长）×100 m（宽）×160 m（高）。模型上方按至地表岩体的自重施加垂直方向的荷载，265 m×0.025 MN/m3=6.63 MPa 竖直向下的压力加载于模型顶部模拟未建覆岩重量。模型底部约束横向和纵向位移，前后左右约束横向位移。模拟工作面长150 m，推进长度100 m。煤岩物理力学参数见表1。

表1 岩层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata

3.2 模拟结果

工作面应力分布与塑性区如图7。图7（a）显示大倾角煤层开采过程中，顶底板中出现应力释放带，采空区两侧实体煤层中出现深蓝色应力集中带，下端头煤壁应力集中范围大于上端头煤壁。沿工作面倾斜方向，煤层上方岩层出现明显的非对称应力释放区，中上部区域应力释放范围大于下部，下部区域顶板应力向压应力转变。结合相关研究[5]，应力释放区实际是由岩层破断处产生，对应图7（b）中岩层垮落线，垮落线下方岩层表现为大范围的拉伸破坏，证明垮落带上方岩层沿垮落线方向发生拉伸断裂，且垮落带呈现明显的不对称性，垮落范围上部＞中部＞下部；对应图7（a）可发现相应在岩层垮落线边缘附近产生低应力区。

图7 工作面应力分布与塑性区Fig.7 Stress distribution and plastic zone of working face

4 支架适应性

4.1 工作面支架监测方案

为了准确掌握大倾角厚煤层错层位巷道布置综放工作面支架受力情况及运行状态，沿倾斜方向布置3 个测区，测区Ⅰ（起坡段）以6#、7#、8#为观测支架；测区Ⅱ为40#、41#、42#支架；测区Ⅲ为65#、66#支架，工作面矿压观测液压支架测点布置如图8。

图8 工作面矿压观测液压支架测点布置示意图Fig.8 Schematic diagram of measuring points arrangement of hydraulic support for mine pressure observation on working face

4.2 工作面来压规律

工作面支架设计初撑力为24 MPa，截止2017年11 月15 日，工作面已平均推进159.6 m。工作面不同回采阶段初撑力监测结果如图9。

图9 40#支架初撑力与循环数关系Fig.9 Relationship between initial support and number of cycles

由图9 可知，初撑力46%达到24 MPa，设计初撑力利用率低。根据式（2）单个支架稳定性条件可知，初撑力直接关系到大倾角工作面支架的稳定性，因此，为保证工作面的安全生产，现场应加强支架初撑力的管理。

对工作面支架末阻力监测，分析初次来压阶段、周期来压阶段矿压显现特征工作面顶板来压规律见表2。

由表2 可知，工作面初次来压阶段，工作面上、中、下部来压步距明显不同且来压强度也有差异，上部、中部、下部来压步距分别29.4、34.7、40.2 m，具有分段来压的特点，按照上部基本顶首先破断，然后中部，最后下部破断的顺序，呈现明显的非对称性。上、中、下部来压强度不同，基本呈现中部＞上部＞下部的特点。随着工作面推进，周期来压阶段，工作面上、中、下部来压步距分别14.2、16.1、15.3 m，同样呈现非对称性，但相较于初次来压步距，周期来压步距非对称性不明显。工作面来压期间的动载系数整体呈现中部＞上部＞下部的特征，且工作面中部来压最强烈，动载系数为1.66，ZQY6000-19/42 型支架能够满足顶板控制的要求，满足安全生产的需要。

表2 工作面顶板来压规律Table 2 Pressure law of working face roof

5 结 论

1）优化了苏杭河矿大倾角工作面巷道布置方式，采用了错层位巷道布置综放开采技术。通过建立单个支架稳定性力学模型，得到了支架稳定性条件，通过起坡段角度的减小和提高初撑力，可提高支架稳定性。分析认为错层位巷道布置起坡段支架稳定性明显提高，对控制设备下滑具有重要作用。

2）通过数值模拟分析，大倾角错层位巷道布置工作面顶板应力释放区与拉伸破坏区呈非对称分布，并且拉伸破坏区域垮落线相对应。

3）现场矿压监测显示，工作面初次来压和周期来压步距都呈现非对称性，但初次来压更明显。工作面中部矿压显现最强烈，动载系数1.66，上部次之，下部相对平缓。