一、立項原因：
同忻礦3～5#煤層和8#煤層為主要可采煤層，現階段主采3～5#，該煤層煤厚0～35.31m，平均13.67m。煤層頂、底板及夾矸巖性一般為高嶺巖、高嶺質泥巖、砂質泥巖和炭質泥巖，局部為粉砂巖或細粒砂巖。
以三盤區(qū)8305工作面為例，截止目前為止，該工作面共來壓18次，根據現場實際情況了解，每次來壓情況，包括來壓時間、來壓強度以及來壓影響范圍各不相同，本文立項的原因就是通過分析頂板破斷時對工作面產生的動載，進一步掌握基本頂不同的斷裂位置對工作面產生的影響，并根據實際生產情況，為減少周期來壓對工作面產生的影響，制定合理的安全技術措施，保證工作面安全高效開采。
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研究內容：
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基本頂三種斷裂方式研究及現場驗證
根據錢鳴高院士的“砌體梁”結構分析，工作面基本頂破斷以后，會在上覆形成關鍵巖塊，將關鍵巖塊部分簡化為三鉸拱式結構，巖塊之間的相互鉸接承擔上覆巖層的重量。隨著工作面的推進，鉸接巖塊的滑落失穩(wěn)和回轉失穩(wěn)將導致上覆結構需要重新平衡和支撐，具體如圖1所示。
圖1 基本頂斷裂形成的“砌體梁”結構
從巖層圍巖控制角度來看，回采空間的液壓支架將承擔上覆一部分重量，但是由于液壓支架處于上覆巖層破斷后形成的大結構保護之下，因此，支架才不至于承擔全部上覆巖層載荷而被壓壞?；卷斊茢嘁院?，上覆巖層形成的大結構發(fā)生滑落和回轉失穩(wěn)的條件與基本頂巖層的層位、厚度、以及堅硬巖層以上覆巖的巖性等有關系，基巖越完整，厚度適中，越容易形成穩(wěn)定的結構；相反，基本頂斷裂位置不同或者斷裂后形成的“砌體梁”鉸接巖塊發(fā)生滑落和回轉變形的位置不同，此時來壓對工作面煤壁以及支架形成的壓力也不同。因此，分析研究頂板不同斷裂位置對工作面影響在防治周期來壓影響方面至關重要，以下主要有三種方式。
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當斷裂位置在煤壁和支架前方時
當基本頂超前煤壁破斷時，破斷巖塊受煤壁和支架共同支撐作用后，會發(fā)生以回轉為主的運動形式，具體實驗示意圖如圖2所示。
圖2 基本頂超前煤壁斷裂
當基本頂超前工作面煤壁斷裂時，可將回采工作面圍巖簡化為圖3所示。
圖3 基本頂超前破斷支架與圍巖結構簡化模型
如圖3所示的支架與圍巖結構簡化模型，當基本頂超前煤壁破斷時，煤壁和支架會阻止基本頂巖塊的切落，由于支架頂破碎以后對采空區(qū)充填有限，因此，無法阻止基本頂巖塊的回轉失穩(wěn)，并且也伴隨著較大的沖擊載荷，此種條件下，如果支護強度低或者回采工作面支架初撐力不足將導致直接頂和基本頂產生較大的離層，造成工作面嚴重的事故。此種破斷模式下，回采工作面支架受力時間比較長，隨著工作面的推進，破斷的基本頂回轉失穩(wěn)將對工作面支架產生重大載荷，支架安全閥開啟，煤壁片幫，支架下縮量增大等。如圖4（a）所示為8305工作面第12次周期來壓期間，工作面支架增阻變化情況。圖4（b）為來壓時工作面現場實際情況。
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來壓第1天 |
來壓第2天 |
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來壓第3天 |
來壓第5天 |
圖4（a） 工作面支架增阻變化情況
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安全閥開啟 |
煤壁片幫 |
圖4（b） 來壓時工作面現場實際情況
因此，由以上分析和現場實際情況，當基本頂斷裂位置在工作面前方時，此時工作面來壓時間較長，持續(xù)步距可以達到20m，同時工作面壓力顯現明顯，安全閥開啟，煤壁片幫等動力災害情況。
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當斷裂位置在煤壁和支架上方時
當基本頂斷裂位置在工作面煤壁和支架上方時，容易沿著煤壁整體切落形成動載，此時頂板斷裂位置對工作面影響最大。具體實驗示意圖如5所示。
圖5 基本頂在煤壁和支架上方斷裂
當基本頂在煤壁和支架上方斷裂時，將回采工作面圍巖簡化為圖6所示。
圖6 基本頂在支架上方破斷時與圍巖結構簡化模型
當基本頂在工作面支架和煤壁上方斷裂時，基本頂破斷瞬間會發(fā)生沿著煤壁上方的滑落失穩(wěn)，由于支架的額定工作阻力和剛度有限，因此，很難完全控制住滑落失穩(wěn)，并且滑落失穩(wěn)在瞬間完成，可以忽略基本頂的回轉，此時頂板的破斷對支架的動載系數最大。如圖6所示的圍巖結構簡化模型，發(fā)生破斷時，基本頂瞬間下沉Δh，該值是直接頂離層或者工作面支架初撐力不足導致。
由于8305工作面直接頂厚度為4.7m，開采厚度為12m，因此可以假定采空區(qū)破碎充填的直接頂不會對直接頂產生承載，認定基本頂破斷瞬間液壓支架的工作阻力能夠平衡基本頂的動載荷、以及基本頂上覆集中載荷、直接頂重量等，因此可以求解出回采工作面支架承受的最大載荷，具體計算公式如下所示。
式中：F——回采工作面支架承受的最大載荷；
Q直——直接頂的重量；
Q基——基本頂的重量；
Q集——基本頂上方隨動巖層對基本頂的載荷；
f摩——基本頂在下沉過程中所受切落的摩擦力；
k——基本頂的動載系數；
如圖7所示為基本頂在支架和煤壁上方破斷失穩(wěn)過程中，8305工作面現場實際情況。
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支架伸縮量大幅度下降 |
工作面煤壁炸幫 |
圖7 基本頂在支架上方破斷時現場實際情況
從圖7中，可以明顯看到，當基本頂沿著煤壁和支架上方瞬間滑落時，工作面支架受到的動載荷最大，支架下縮量大，對工作面安全推進產生重要的影響，但是隨著工作面的快速推進，破斷的基本頂在支架后方采空區(qū)內滑落觸底，工作面支架不再有增阻，支架受力強度大，但是受力時間相對較短。
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當斷裂位置在煤壁和支架后方時
當工作面推進速度較快時，或者上覆關鍵巖層發(fā)生破斷時形成穩(wěn)定的鉸接巖塊，承受上覆主要隨動巖層的載荷，不會對工作面支架產生影響，當隨著工作面繼續(xù)推進，上覆關鍵巖塊鉸接發(fā)生回轉和滑落失穩(wěn)后在采空區(qū)垮落。具體簡化實驗模型如圖8所示
圖8 基本頂在采空區(qū)上方斷裂
當基本頂在采空區(qū)上方垮落后，對工作面支架影響較小，基本無增阻現象或者增阻現象瞬間出現，又瞬間消失。根據8305工作面推進過程中，出現此案例，具體來壓時工作面增阻情況如下圖9所示。
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1.9日14:54 |
1.9日16:25 |
圖9 基本頂在采空區(qū)斷裂時支架受力情況
如圖9所示，1.9日下午16:25分，基本頂在采空區(qū)上方垮落，工作面支架瞬間受力，支架瞬間有增阻，之后壓力又快速退去。但是在頂板垮落的瞬間，工作面支架發(fā)生吹架。據現場了解和統(tǒng)計，下午16:30左右，工作面響了一聲大悶墩，導致工作面后半部分83#—106#支架發(fā)生吹架，共計損壞伸縮梁千斤31根，護板千斤4根，探梁千斤2根。具體現場實際情況示意圖如圖10所示。
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彎曲變形的伸縮梁千斤 |
統(tǒng)計損壞的千斤 |
圖10 基本頂在采空區(qū)垮落瞬間造成的吹架
據統(tǒng)計，發(fā)生此次吹架的原因是因為前兩次來壓不明顯，基本頂垮落不充分，且工作面初撐力不足，導致基本頂在采空區(qū)大面積垮落后形成颶風，造成工作面吹架。
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控制頂板斷裂方式的因素及安全技術措施
根據以上研究分析內容，隨著工作面推進，頂板破斷動載機理對工作面產生的影響，主要與基本頂的斷裂位置有關系，分別如下：
當基本頂斷裂且發(fā)生回轉和滑落失穩(wěn)發(fā)生在支架和煤壁前方時，此時回采工作面支架受力時間比較長，隨著工作面的推進，破斷的基本頂回轉失穩(wěn)將對工作面支架產生重大載荷，支架安全閥開啟，煤壁片幫，支架下縮量增大等。
當基本頂斷裂且發(fā)生回轉和滑落失穩(wěn)發(fā)生在支架和煤壁上方時，基本頂沿著煤壁和支架上方瞬間滑落，工作面支架受到的動載荷最大，支架下縮量大，對工作面安全推進產生重要的影響，但是隨著工作面的快速推進，破斷的基本頂在支架后方采空區(qū)內滑落觸底，工作面支架不再有增阻，支架受力強度大，但是受力時間相對較短。
當基本頂斷裂且發(fā)生回轉和滑落失穩(wěn)發(fā)生在支架和煤壁后方時，此時基本頂在采空區(qū)上方垮落，工作面支架瞬間受力，支架瞬間有增阻，之后壓力又快速退去，但是如果工作面初撐力管理不到位，導致支架接頂不嚴，采空區(qū)垮落的瞬間會形成颶風，造成吹架事故。
分析以上三種情況，為盡量減少周期來壓對工作面產生影響，應加強相關影響因素管控，主要有以下幾個方面。
加強工作面初撐力管理，支架要一次升緊達到初撐力，避免多次重復升支架導致頂煤破壞。
加強頭尾退錨，保證頭尾懸板能夠及時垮落，同時加強工作面來壓預報工作，當周期來壓步距超過30m仍然未來壓時，必須采取可靠的措施處理頂板，防治采空區(qū)頂板垮落形成颶風，造成吹架。
嚴格控制工作面刀數，保證推進度，盡量避免基本頂在支架上方斷裂滑落，造成對支架產生巨大的載荷，影響工作面的安全生產。
煤壁片幫嚴重時，要確保端面距不超過340mm，采取超前二次移架、前伸梁伸出頂住煤幫、護幫板打開護住煤壁的方法及時支護。同時加強工作面頭尾巷超前支護強度，保證單體柱支護數量夠，支護強度有效，達到單體柱初撐力。
加強機電設備檢修和管理，提高開機率達到85%以上，保證工作面日平均推進度不小于5m/日，可減緩來壓強度和頻率。同時在來壓后開啟的安全閥全部更換，新進支架立柱、安全閥、各種高壓膠管都要進行壓力試驗，與支架性能要求符合時方可使用。
三、主要創(chuàng)新點：
本文的成果主要是通過分析基本頂三種斷裂位置對工作面產生的影響，并用現場實際來壓情況進一步驗證頂板斷裂位置，為避免來壓不可控位置對工作面產生的影響，通過控制推進度、做好支架圍巖控制并制定安全技術措施，保證工作面安全高效開采。
四、經濟及社會效益：
做好支架圍巖控制，人為控制和調整頂板斷裂位置，減少周期來壓對工作面產生的影響，可保證工作面安全高效開采，按照周期來壓期間正常生產和來壓導致的工作面停產3小時計算，可多創(chuàng)收經濟效益250萬元
