綜采工作面端頭頂板大面積懸頂致災(zāi)機(jī)理及控制技術(shù)研究

＊張建軍

（山西省大同市晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同家梁礦 山西 037000）

1.綜采工作面端頭頂板大面積懸頂致災(zāi)機(jī)理

綜采工作面端頭處無論是人員作業(yè)，還是設(shè)備作業(yè)都是從端頭直接頂位置進(jìn)行的。因此，只要端頭直接頂位置發(fā)生變形或者垮落都會(huì)導(dǎo)致端頭直接頂相鄰兩邊保持固定，而另一弧形斜邊則是呈現(xiàn)弧三角狀。

圖1 綜采工作面端頭老頂斷裂形式與結(jié)構(gòu)模型

當(dāng)工作面不斷向前推進(jìn)時(shí)，工作面端頭頂板所承受的彎矩也會(huì)隨之增大。當(dāng)端頭頂板所承受的彎矩達(dá)到最大極限值時(shí)，端頭頂板就會(huì)發(fā)生破斷垮落。端頭頂板破斷線因極限彎矩作用發(fā)生弧三角變形，當(dāng)工作面不斷向前推進(jìn)，端頭頂板也會(huì)不斷有弧三角變形發(fā)生。按照工作面頂板覆蓋巖石的破斷規(guī)律，通常老頂?shù)谝淮伟l(fā)生斷裂時(shí)，其裂縫外形都會(huì)呈“O-X”型。當(dāng)老頂多次發(fā)生斷裂時(shí)，工作面的主體梁和端頭形成一個(gè)弧三角結(jié)構(gòu)外形。因?yàn)榛∪墙Y(jié)構(gòu)所承受的最大彎矩還沒有超過頂板所能承受的極限應(yīng)力，所以頂板不會(huì)發(fā)生垮落，與此同時(shí)頂板端頭位置有煤柱、錨索以及錨桿共同支護(hù)，因此才導(dǎo)致端頭頂板只形成懸頂而未發(fā)生垮落。巖塊B作為工作面主體梁的重要組成部分，但是在頂板端頭發(fā)生弧三角變形。由下述模型可知，無論是巖塊C還是巖塊B都會(huì)對(duì)端頭頂板所承受的壓力產(chǎn)生重大影響，尤其是巖塊B對(duì)端頭礦區(qū)的變形影響最是明顯，圖2所示為弧三角受力簡圖。巖塊A、B、C和弧三角塊B都是塑性鉸接接觸，其具體受力情況如圖2所示。

圖2 弧三角塊受力簡圖

2.端頭頂板礦山壓力監(jiān)測與預(yù)報(bào)

根據(jù)礦山壓力以及端頭頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律監(jiān)測，對(duì)支架的使用情況進(jìn)行評(píng)價(jià)和監(jiān)測，從而確保支架能夠有效工作。通過對(duì)現(xiàn)場端頭頂板的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報(bào)，當(dāng)端頭直接頂發(fā)生弧三角形斷裂時(shí)，此時(shí)頂板就會(huì)發(fā)生大面積垮落從而形成咫風(fēng)，因?yàn)橹Ъ芩惺艿淖枇ο鄬?duì)較小，所以當(dāng)發(fā)生垮落時(shí)安全閥也不會(huì)自行開啟。因此，采用傳統(tǒng)壓力監(jiān)測系統(tǒng)無法對(duì)端頭頂板壓力變化進(jìn)行判斷，同時(shí)也無法對(duì)端頭頂板垮落時(shí)間進(jìn)行判斷。在端頭人員通行位置接頭崗位工作人員可以通過離層指示儀對(duì)工作面錨桿錨索支護(hù)區(qū)域以及覆巖層的位移進(jìn)行監(jiān)測。同時(shí)通過表面位移計(jì)對(duì)巷道表面以及頂板移動(dòng)距離進(jìn)行監(jiān)測。在監(jiān)測過程中采用各種觀測儀器對(duì)端頭懸頂情況進(jìn)行及時(shí)記錄和分析，當(dāng)懸頂超過規(guī)定范圍必須要通知工作人員及時(shí)退錨、增加支護(hù)以及做好頂板垮落防護(hù)措施，從而避免因頂板垮落而造成巨大安全事故。

3.提高端頭支架支護(hù)質(zhì)量

當(dāng)支架參數(shù)和支架架型相同時(shí)，支架支護(hù)狀態(tài)能夠?qū)χЪ苤ёo(hù)質(zhì)量進(jìn)行很好的反饋，下述為支架支護(hù)狀態(tài)：

支架支護(hù)安裝的合理性要通過支撐力的大小、支撐力方向以及支撐力作用點(diǎn)進(jìn)行反映；支架支撐力實(shí)時(shí)工作狀態(tài)通過時(shí)間加權(quán)阻力大小來進(jìn)行反映；端頭頂板狀態(tài)以及支架操作質(zhì)量通過接頂距來進(jìn)行反映；支架移動(dòng)位置正確性通過梁端距來進(jìn)行反映；支架穩(wěn)定性則是通過頂梁傾斜角來進(jìn)行反映。在對(duì)端頭頂板分析管理過程中，端頭支架和覆巖層之間的作用是相互的，支架支護(hù)狀態(tài)主要分為限定變形和給定變形兩種。在這兩種支架作用關(guān)系下，有如下兩種方法可以對(duì)端頭支架阻力大小進(jìn)行確定：

（1）當(dāng)端頭支架處于給定變形時(shí)，端頭支架主要承受兩部分載荷：第一部分是巖柱自身重量；第二部分是給定變形過程中形成的壓力。其阻力計(jì)算公式如下所示：

式中：∑h表示相應(yīng)的直接頂厚度，m；

K表示相應(yīng)的壓實(shí)系數(shù)，GPa；

n表示相應(yīng)的壓實(shí)指數(shù)；

l表示相應(yīng)的控頂長度，m；

θ表示相應(yīng)的直接頂頂層面回轉(zhuǎn)角度，（°）；

θ1表示相應(yīng)的直接頂?shù)讓用婊剞D(zhuǎn)角度，（°）。

（2）當(dāng)端頭支架處于限定變形時(shí)，端頭支架主要承受兩部分載荷：第一部分是巖柱自身重量；第二部分是弧三角巖塊自身回轉(zhuǎn)下沉產(chǎn)生的壓力。其阻力計(jì)算公式如下所示：

式中：M表示相應(yīng)的煤層厚度，m；

入表示相應(yīng)的煤的峰后模量，MPa；

L2表示相應(yīng)的弧形三角塊的側(cè)向跨度，m；

α表示老頂?shù)幕剞D(zhuǎn)角度，（°）；

x0表示相應(yīng)的弧形三角塊的斷裂位置，m。

從計(jì)算公式（2）可以明顯看出，當(dāng)老頂回轉(zhuǎn)角非常小時(shí)，支架強(qiáng)度只需要很小就可以對(duì)老頂回轉(zhuǎn)下沉進(jìn)行控制。因此初撐力就是控制端頭頂板的關(guān)鍵。

支架初撐力增大，接頂距離加大，梁端距離減小，可以讓頂板離層減小穩(wěn)定性增強(qiáng)。同時(shí)頂板和支架的水平夾角較小，也可以對(duì)支架穩(wěn)定性進(jìn)行控制。當(dāng)端面距離變大時(shí)，端面頂板很容易發(fā)生冒落。當(dāng)頂板只有頂梁前段支撐時(shí)，頂梁喪失支撐作用，端面頂板發(fā)生冒落。

支架傾向角減小，可以增加支架穩(wěn)定性，從而讓支架和頂板之間作用力得到平衡。經(jīng)過長時(shí)間研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行端頭作業(yè)時(shí)端頭支架很容易發(fā)生倒架。當(dāng)端頭支架發(fā)生倒架時(shí)，端頭崗位工作人員需要及時(shí)對(duì)端頭支架進(jìn)行扶正，以便支撐支護(hù)質(zhì)量得到提高。假如端頭1#支架發(fā)生倒架，工作人員可以將端頭支架先清理出來，再對(duì)安全閥進(jìn)行關(guān)閉，然后，將支架升起，此時(shí)支架扶正完成，最后，再將支架初撐力升緊就可以了。假如，2#，3#，4#支架同時(shí)發(fā)生倒架，此時(shí)就可以通過支架側(cè)板來對(duì)支架進(jìn)行調(diào)整，先對(duì)側(cè)護(hù)板上可以進(jìn)行調(diào)整的支架進(jìn)行調(diào)整，先降下發(fā)生倒架的支架，然后在對(duì)未發(fā)生倒架的支架進(jìn)行降下，最后在對(duì)支架進(jìn)行扶正矯正。端頭支架的支護(hù)狀態(tài)對(duì)支護(hù)質(zhì)量的好處影響非常大，因此，工作現(xiàn)場需要對(duì)支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行有效調(diào)整才能讓支護(hù)質(zhì)量得到確保。

4.端頭頂板大面積懸頂和退錨技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控管理

風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控管理其本質(zhì)就是以風(fēng)險(xiǎn)隱患作為基礎(chǔ)，通過制定風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控措施和規(guī)范來對(duì)不安全因素進(jìn)行重點(diǎn)管控，以便工作資源可以進(jìn)行合理調(diào)配，從而讓煤礦的安全運(yùn)行得到有效確保。

當(dāng)端頭頂板發(fā)生大面積懸頂時(shí)通常都是通過退錨技術(shù)來進(jìn)行處理。根據(jù)現(xiàn)場施工規(guī)范，當(dāng)懸頂面積大于50m2或者懸頂高度大于10m時(shí)，都必須通過退錨技術(shù)來防止懸頂加劇。在進(jìn)行退錨索操作時(shí)，必須確保退錨索距離在4m以內(nèi)，同時(shí)在進(jìn)行退錨桿時(shí)，也得按照由近到遠(yuǎn)的方式操作。在進(jìn)行退錨操作后，如果懸頂高度還在不斷擴(kuò)大，那么此時(shí)只能通過強(qiáng)制爆破等方式來對(duì)懸頂進(jìn)行有效控制。

作為煤礦安全管理的核心組成，危險(xiǎn)源辨識(shí)無論是在什么工作時(shí)間都是必不可少的，通過危險(xiǎn)源辨識(shí)可以對(duì)各種安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效預(yù)控，與此同時(shí)還可以對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)所帶來的的損壞和隱患進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，從而采取合理有效的預(yù)防措施。

端頭區(qū)域無論是人員通行還是設(shè)備布置都是相對(duì)比較密集的，而且，還專門為每個(gè)工作小組配置了退錨人員以及機(jī)頭崗位工作人員。為了將懸頂災(zāi)害造成的損失降到最低，同時(shí)還為工作人員的人身安全得到保障，必須及時(shí)采取退錨技術(shù)來對(duì)懸頂災(zāi)害進(jìn)行處理。因此在整個(gè)退錨過程中需要對(duì)危險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)，從而確保退錨作業(yè)能夠順利成功。

5.結(jié)語

（1）本文對(duì)工作面端頭發(fā)生大面積懸頂進(jìn)行了詳細(xì)介紹，同時(shí)根據(jù)調(diào)研分析對(duì)其發(fā)生原因也進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

（2）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際作業(yè)情況，筆者針對(duì)頂板懸頂問題提出了3條安全有效的預(yù)控措施。

（3）通過頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)，當(dāng)頂板發(fā)生大面架垮落時(shí)會(huì)有強(qiáng)烈咫風(fēng)形成，此時(shí)支架所受阻力變小，頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)可以對(duì)支架支撐狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和分析，從而對(duì)支架支護(hù)質(zhì)量進(jìn)行有效提高。

（4）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際作業(yè)情況，筆者提出改善支護(hù)質(zhì)量的措施，以及退錨技術(shù)和危險(xiǎn)源辨識(shí)技術(shù)等，對(duì)于預(yù)防控制頂板懸頂災(zāi)害具有非常重要的意義。