安徽能源技术学校安徽省230011
摘要：对于回采工作面来说，端头区域不仅仅是连同工作面与巷道的关键位置，也是人员、设备必经之地。同时，尤其对于综采工作面来说，端头区域所需布设设备较多，可以说，端头区域顶板的稳定直接影响的采场内各个工序的整体进度。基与此，要对采场端头顶板岩层进行分析研究。
关键词：综放回采工作面；端头；围岩结构
1.综放回采工作面端头上覆围岩结构模拟分析
1.1物理模拟分析
1.1.1模型关键参数
设置该实验所使用模型为为简易立体型模型架构，模型边界条件设定为两侧边宽20cm，模型宽150cm，长250cm。设定该综放回采模型采用底卸式开采，底片宽6cm，长150cm。原始模型如图1-1所示。
图1-1综放工作面开采原始模型
Fig.1-1OriginalmodelsofminingonthefullyMechanizedcavingfaces
假定该模型为综放面采场。布置工作面3.0m的采高，顶煤回收3.9m。
1.1.2模拟综放回采过程
首先观察图1-2所示的顶板裂隙发展过程。当回采工作面推进至30m位置，直接顶冒落，同时老顶内出现裂纹。且裂纹有沿推进方向的长度有所延伸，裂纹宽度有所增大，对于拉裂纹（3＃）来说，有向四周蔓延并趋于贯通的趋势。
在模型模拟采至约60m时，模型中沿垂直于工作面推进方向的1＃、4＃两条裂纹延伸并贯通工作面两端，此时模拟模型中发生老顶初次来压，之后顶板破断并回转铰接形成V形沟（2＃）。此时沿垂直于工作面方向形成闭合裂隙2＃和1＃、4＃张开裂隙。
随着工作面继续推进，岩板发生第二次断裂，出现新的裂纹（5＃）。
1-初次性断裂线；2-初次断裂中间线；3-端部断裂弧形线；4-初次断裂线；5-周期性断裂线；6-端部弧形三角悬板
图1-2工作面推进过程裂隙发展形态及端部“弧三角板结构”组成示意
Fig.1-2Thedevelopmentformandtheend"arctriangularplatestructure"oftheworkingfaceadvancingprocessareindicated
通过模型模拟综放回采工作面整个回采过程可以看出，开采后顶板最先出现破断裂纹的位置是在沿工作面方向顶板的后方，同时细小裂隙出现在顶板上端部。在回采工作继续向前推进的过程中，前方顶板也出现破碎裂纹，同时拉裂纹出现在工作面的下端部，这些裂纹逐渐形成四周贯通的大面积裂纹，同时在受采动影响的岩板区域内发生顶板中央破断，从而发生基本顶的初次破断；老顶周期来压时，破断的岩板被围岩不断施加的压力，该压力对于顶板中间裂隙起到挤压作用，使其闭合。但作用到采场端头区域时，却往往会促进形成张开的裂隙，在岩梁挤压、铰接下形成弧形三角块[1]。
2.端部顶板结构形态
回采工作面端头区域往往是支护难度最大、支护条件最复杂的区域，再加上巷道掘进对顶板的影响、超前支护的影响，使得顶板被反复支撑，同时还要提供较大的无立柱空间来保护机头机尾设备，种种因素的原因导致对于回采工作面来说，端头区域顶板支护难度是最大的。
2.1端部支护来压的周期性
上面建模研究可以看出，回采工作面在端头部位的老顶由于受到矿压作用，破断的岩块相互挤压形成弧形悬顶三角块。同时老顶砌体梁结构受挤压力作用发生较大旋转角从而导致砌体梁结构的平衡被破坏。但该弧形三角形结构一直维持稳定状态，对工作面端头提供了一个保护区，该区域的顶板矿压显现不明显。随着回采工作的继续，该弧形悬板发生位移变化，相互之间逐渐失去支撑力。在老顶周期来压的影响下，端头围岩不再容易维护。
2.2端头区域顶板弧三角悬板
弧三角悬板的形成跟围岩的岩性、物理性质、力学性质都有密切的联系；跟回采工作面上、下端头区域巷道选择什么样的支护方式进行支护都是有关联的。另外，工作面顶板岩层的地质赋存情况等因素也对“弧三角悬板”破断产生影响[2]。
3.端头基本顶结构理论分析
依据薄板理论，假设当回采工作面的老顶岩层厚度与宽度比值h/a=1/7～1/15时，可以设定老顶围岩为薄板。工作面开采边界及预留煤柱可以视为“薄板”的四边。将其结构运用到板的Marcus简化算法，而且可以看出，当基本顶围岩达到极限强度时，弯矩也增大到最大值，此时老顶围岩发生断裂。
具体分析上面提到的基本顶围岩分类中每一种分类其特征情况。首先分析四边为固支的基本顶结构。由于在该基本顶结构当中，长边的中心部位会首先达到弯矩最大值，因而最开始的断裂发生在长边的中间位置。之后裂缝也在短边中间位置发生。随着老顶周边围岩裂隙的增大，最后在老顶中形成贯通的“O”老顶裂缝。同时，老顶中央区域的围岩，受矿压的影响形成“X”型裂纹，如图1-3所示
图1-3老顶“O-X”型破碎、断裂示意图
Fig.1-3Diagramof"o-x"failureofthebasicroof
由老顶“O-X”型破断理论可知，当采场四周为实体煤时，老顶的初次垮落导致围岩受压力影响发生“O-X”型破碎断裂。之后，随着老顶的周期来压而形成有规律的断裂、破碎以及垮落的。见图1-4
图1-4端头顶板周期性垮落
Fig.1-4Theendoftheroofisperiodicallybroken
分析老顶“O-X”型破断理论，结合图1-4可以推测在前、后两次老顶来压破碎过程中，在回采工作面上、下端头区域都会出现部分不垮落的悬板，研究人员称其为端头悬板。
4.小结
综放回采工作面端头始终存在顶板弧形三角块结构，而该结构的存在与工作面顶板的初次垮落、顶板周期来压没有关系。对于采用长壁式采煤法进行回采作业的工作面来说，当采场顶板周期来压步距的长度为回采工作面长度的1/6时，在采场上、下端头顶板区域形成弧形三角块结构近似于等边形状，且该结构往往只会发生转动失稳，失稳原因主要受到采空区处理后充填挤压的矸石、综放工作面端头巷道支护以及区段留设煤柱等因素影响。
参考文献：
[1]孟宪锐，丁自伟.综放开采放煤循环方式的合理确定及顶煤放出率分析[J].煤炭工程，2011（2）：1-3.
[2]刘金海，姜福兴，孙广京等.深井综放面沿空顺槽超前液压支架选型研究[J].岩石力学与工程学报，2012，31（11）：2232-2239.