許永祥，王國法，李明忠，張金虎，韓會軍

(1.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013; 2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

自長壁綜采工作面問世以來，覆巖結(jié)構(gòu)、液壓支架結(jié)構(gòu)及二者耦合關(guān)系始終是長壁開采研究的重點和難點內(nèi)容之一。然而，采礦領(lǐng)域?qū)I(yè)人員研究重點多為覆巖結(jié)構(gòu)及其力學和運動學規(guī)律，而對液壓支架結(jié)構(gòu)缺乏深入研究;礦山機械領(lǐng)域研究專業(yè)人員研究重點則偏向于支架結(jié)構(gòu)設(shè)計及其力學和運動學特性，常缺乏對圍巖結(jié)構(gòu)的詳實掌握。因而，造成有些礦井選用的液壓支架對圍巖適應性差和支架-圍巖耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性低等問題，影響工作面安全高效開采。對此，王國法院士團隊[1-3]從支架-圍巖耦合關(guān)系角度出發(fā)，提出了長壁綜采工作面支架-圍巖強度、剛度和穩(wěn)定性“三耦合”理論，為長壁綜采工作面圍巖穩(wěn)定性控制奠定了理論基礎(chǔ)。

長壁綜采工作面支架-圍巖耦合實現(xiàn)途徑在于支架-圍巖結(jié)構(gòu)耦合，即通過支架和近場圍巖組成的“小結(jié)構(gòu)”支護系統(tǒng)適應遠場覆巖“大結(jié)構(gòu)”破斷失穩(wěn)所形成的強動載礦壓，實現(xiàn)支架-圍巖強度、剛度和穩(wěn)定性耦合?！靶〗Y(jié)構(gòu)”初次耦合與“大結(jié)構(gòu)”二次耦合支護參數(shù)是否合理，直接影響到圍巖“小結(jié)構(gòu)”穩(wěn)定性及其對“大結(jié)構(gòu)”的適應性。一方面，覆巖“大結(jié)構(gòu)”破斷類型、運動規(guī)律、動載特征很大程度上決定了工作面支護的難易程度，決定了“小結(jié)構(gòu)”耦合設(shè)計對策。另一方面，要維護采場“小結(jié)構(gòu)”支護系統(tǒng)的穩(wěn)定，須保證“小結(jié)構(gòu)”內(nèi)支護系統(tǒng)與圍巖處于良好的耦合狀態(tài)。本文以堅硬特厚煤層綜放開采為背景，從結(jié)構(gòu)耦合的角度出發(fā)，闡述了“小結(jié)構(gòu)”初次耦合和“大結(jié)構(gòu)”二次耦合支護理論，并進一步對綜放開采中存在的支架結(jié)構(gòu)和頂煤冒放結(jié)構(gòu)耦合關(guān)系進行研究，既確保支架-圍巖支護系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性，又盡可能提高頂煤采出率和開采效率。

1 支架-圍巖“大、小結(jié)構(gòu)”耦合機理及作用

圖1為支架-圍巖結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)架構(gòu)。廣義的圍巖是指受采掘活動影響而發(fā)生狀態(tài)改變的周圍巖體，而“支架-圍巖”耦合系統(tǒng)中的圍巖主要指對支架-圍巖系統(tǒng)的礦壓顯現(xiàn)程度和穩(wěn)定性有影響的周圍巖體，并可根據(jù)支架-圍巖相互作用范圍和相互影響特征將圍巖分為“小結(jié)構(gòu)”圍巖和“大結(jié)構(gòu)”圍巖。采場圍巖“大、小結(jié)構(gòu)”示意圖如圖2所示，將采場圍巖視為一個大結(jié)構(gòu)(例如各種形式的梁或拱等)，而把采場支護看作為處在這個大結(jié)構(gòu)中的一個小結(jié)構(gòu)(即“大結(jié)構(gòu)”包含“小結(jié)構(gòu)”)。研究采場中支架的各項參數(shù)及其性能的目的就是如何使小結(jié)構(gòu)適應大結(jié)構(gòu)，以使選用的支架既經(jīng)濟又合理[4]。

圖1 支架-圍巖結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)Fig.1 Structure coupling system of hydraulic support and surrounding rock

圖2 工作面圍巖“大、小結(jié)構(gòu)”示意Fig.2 Schematic diagram of “l(fā)arge and small structure” of longwall face surrounding rock

1.1 采場圍巖“大結(jié)構(gòu)”

采場圍巖“大結(jié)構(gòu)”是指受工作面開采影響的較大范圍的圍巖結(jié)構(gòu)，包括煤層、直接頂、基本頂(關(guān)鍵層)及其上覆載荷巖層、直接底、基本底和采空區(qū)煤矸石;大結(jié)構(gòu)空間范圍大，主要由地質(zhì)賦存環(huán)境和巖層物理力學參數(shù)所決定，人為干預性差，除采用高成本、低效率的特殊開采工藝(限高開采、充填開采、離層注漿、深孔爆破等)外，難以有效控制其變形、破壞、運動及應力分布、演化規(guī)律。由于地質(zhì)力學環(huán)境的差異，覆巖關(guān)鍵層的破斷方式不盡相同，“大結(jié)構(gòu)”可能形成“砌體梁”、“傳遞巖梁”、“懸臂梁”、“鉸接巖梁”、“弧形三角板”、“臺階巖梁”等結(jié)構(gòu)以及多種結(jié)構(gòu)形式共存的組合結(jié)構(gòu)。圍巖“大結(jié)構(gòu)”應依據(jù)具體工程地質(zhì)條件進行地質(zhì)力學特性評估，參照本礦井或相鄰礦井已采工作面的礦山壓力顯現(xiàn)特征進行分析，推演圍巖“大結(jié)構(gòu)”，為工作面圍巖“小結(jié)構(gòu)”支護系統(tǒng)設(shè)計提供理論依據(jù)?！按蠼Y(jié)構(gòu)”的總體運動規(guī)律通常難以通過“小結(jié)構(gòu)”改變。

1.2 采場圍巖“小結(jié)構(gòu)”

采場圍巖“小結(jié)構(gòu)”是指工作面以液壓支架為主的支護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及與該支護系統(tǒng)直接作用的較小范圍的圍巖結(jié)構(gòu)，包括工作面中部支架、過渡支架、端頭支架、超前支架等組成支架群組支護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作面煤壁、直接頂、直接底、支架后方垮落的松散破碎煤矸石、超前段巷道頂?shù)装搴蛢蓭?。小結(jié)構(gòu)范圍小，是工作面生產(chǎn)所面臨的直接對象，除受地質(zhì)賦存環(huán)境和巖層物理力學參數(shù)影響外，主要由開采工藝、工作面群組支護系統(tǒng)所決定，人為干預性強，可通過支架結(jié)構(gòu)及其智能耦合控制系統(tǒng)直接干預其穩(wěn)定性，為工作面人員和設(shè)備提供安全可靠的工作空間。在掌握大結(jié)構(gòu)變形、運動、破壞及應力分布、演化等規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過支架-圍巖“小結(jié)構(gòu)”應對“大結(jié)構(gòu)”周期性強礦壓，通過支架-圍巖結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)耦合實現(xiàn)工作面強度、剛度和穩(wěn)定性耦合?！靶〗Y(jié)構(gòu)”失穩(wěn)破壞的主要原因是液壓支架群組支護系統(tǒng)與工作面圍巖之間強度不耦合、剛度不耦合、變形不耦合以及其他不耦合因素綜合作用的結(jié)果。當某些部位出現(xiàn)不耦合，造成支護強度、剛度不足，“小結(jié)構(gòu)”不耦合部位將發(fā)生大變形和破壞，如工作面片幫、冒頂?shù)?，并可能進一步發(fā)生漸進式破壞造成圍巖的大范圍失穩(wěn)。

1.3 采場圍巖“小結(jié)構(gòu)”初次耦合

支架-圍巖小結(jié)構(gòu)初次耦合屬于“內(nèi)加載”，由泵站提供動力，屬于準靜態(tài)力，使支架立柱液壓缸內(nèi)壓力增加，油缸伸長，主動撐起支架并作用于圍巖，給“小結(jié)構(gòu)”圍巖施加主動約束力，在圍巖內(nèi)產(chǎn)生附加應力，使圍巖由兩向(一向)受力狀態(tài)轉(zhuǎn)為三向(兩向)受力狀態(tài)，提高“小結(jié)構(gòu)”圍巖強度，同時通過壓實小結(jié)構(gòu)頂、底板，防止“小結(jié)構(gòu)”圍巖產(chǎn)生離層等不連續(xù)變形和破壞，提升支護系統(tǒng)剛度，增加“小結(jié)構(gòu)”承載能力。初撐力對圍巖的維護機理與錨桿和錨索支護的預應力相似，通過主動加固作用避免圍巖早期出現(xiàn)“漸進式”破壞。初撐力不足將影響長壁綜采工作面的支護質(zhì)量。塔山煤礦特厚煤層綜放工作面生產(chǎn)過程中，由于前期對支架初撐力重視不足，支架初撐力普遍在15 MPa左右，遠低于滿足初次耦合的設(shè)計值31.5 MPa，初撐力不足6 000 kN，大部分支架初撐力僅為額定工作阻力的30%～50%，導致支架-圍巖“小結(jié)構(gòu)”初次耦合狀態(tài)差(主動支撐力小、支護系統(tǒng)剛度低)，造成煤壁片幫頻繁，嚴重時頂板直接沿煤壁切落，造成壓架事故。某礦放頂煤相似模擬試驗結(jié)果(圖3)同樣表明:支架初撐力不足會導致支架上方頂板呈現(xiàn)沿煤壁切落特征，造成支架壓死。目前，國內(nèi)大采高綜采和大采高綜放工作面液壓支架初撐力通常設(shè)定為70%～80%的額定工作阻力，既保證足夠的初撐力，又留有一定的增阻適應范圍。

圖3 初撐力不足頂板沿煤壁切落Fig.3 Roof caving along the coal wall because of insufficient setting load

1.4 采場圍巖“大結(jié)構(gòu)”二次耦合

支架-圍巖大結(jié)構(gòu)二次耦合屬于“外加載”，是由覆巖“大結(jié)構(gòu)”變形、破斷、運動所形成的荷載提供動力，屬于動、靜載組合力，支架處于來壓時高阻、恒阻讓壓的被動承載狀態(tài)。此時，支架要有足夠高的工作阻力和剛度，限制“小結(jié)構(gòu)”圍巖變形、破壞和運動的自由發(fā)展。此外，支架的高阻讓壓可縮性使支架具有一定的“柔性”，當支架結(jié)構(gòu)強度難以抵抗“大結(jié)構(gòu)”變形、破斷、運動所形成高應力和動載沖擊時，支架要“以柔克剛”及時快速讓壓，將過高的荷載和沖擊能轉(zhuǎn)移到相鄰支架、煤壁和采空區(qū)矸石，從而轉(zhuǎn)移、緩沖消耗掉“大結(jié)構(gòu)”失穩(wěn)對“小結(jié)構(gòu)”形成的強烈礦壓，保護“小結(jié)構(gòu)”支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，增強“小結(jié)構(gòu)”對“大結(jié)構(gòu)”的適應性。液壓支架最大工作阻力、讓壓性能和抗沖擊性能由支架立柱結(jié)構(gòu)、安全閥開啟壓力和安全閥結(jié)構(gòu)件卸壓性能決定，若安全閥在負載增加時不能及時打開，系統(tǒng)壓力迅速增加，會壓壞結(jié)構(gòu)件，導致焊縫和母材開裂，甚至出現(xiàn)穿頂鉆底、漲缸、立柱活柱壓彎、密封失效等問題。另一方面，當立柱內(nèi)壓力降低到安全閥閉合壓力后，需能及時關(guān)閉，保持支架足夠高的恒定工作阻力，保證支護系統(tǒng)具有足夠的強度和剛度。因此，液壓支架高阻、恒阻讓壓結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、可靠性是“小結(jié)構(gòu)”穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，是“小結(jié)構(gòu)”適應“大結(jié)構(gòu)”的關(guān)鍵。所以，安全閥要有良好的靜態(tài)性能(靜態(tài)溢閉特性和密封性)、動態(tài)性能(穩(wěn)定性、動態(tài)壓力超調(diào)、開啟時間和穩(wěn)壓時間)、足夠的通液能力和流量范圍。雖然支架高阻、恒阻讓壓的“柔性”可在一定程度上防止損壞支架結(jié)構(gòu)件，防止壓死支架，但其也受支架結(jié)構(gòu)的最小支撐高度限制。因此，合理的工作阻力(安全閥開啟壓力)和安全閥工作特性能使支架既有良好的讓壓性能，又能避免支架安全閥頻繁或長時間開啟。

塔山煤礦特厚煤層綜放開采初期由于對特厚煤層綜放采場開采空間增大后頂板“組合懸臂梁+砌體梁”大結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機理和失穩(wěn)來壓強度研究不足，在早期8102和8103綜放工作面所選支架工作阻力分別為11 000和13 000 kN，大結(jié)構(gòu)周期性失穩(wěn)來壓時，支架-圍巖二次耦合被動承載能力不足，周期來壓期間支架安全閥長期頻繁開啟，導致發(fā)生大面積壓架事故(圖4)。對此，通過加大支架立柱缸徑的方式將支架工作阻力增加到15 000 kN，并優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)，增強支架高阻讓壓性能，提高支架對覆巖“大結(jié)構(gòu)”失穩(wěn)來壓時二次耦合適應性，同時加強管理保證工作面初撐力達標，實現(xiàn)主動“初次耦合”維護良好的圍巖“小結(jié)構(gòu)”。優(yōu)化后的支架-圍巖耦合系統(tǒng)已經(jīng)保證塔山煤礦安全高效回采十幾個工作面。

圖4 頂板“大結(jié)構(gòu)”來壓時發(fā)生壓架事故Fig.4 Crushed hydraulic support under the weighting of “Large structure”

堅硬特厚煤層大采高綜放開采時，支架-圍巖“大、小結(jié)構(gòu)”存在特殊性:① “小結(jié)構(gòu)”內(nèi)支架頂梁接觸的直接頂為需要放出的堅硬頂煤;② 需特別關(guān)注支架結(jié)構(gòu)(特別是放煤機構(gòu)結(jié)構(gòu))與頂煤冒放結(jié)構(gòu)的耦合;③ 由于一次采出厚度大，垮落帶和裂隙帶范圍增大，具有承載特性和自穩(wěn)特性的“大結(jié)構(gòu)”將形成于更高的層位。

2 特厚堅硬煤層綜放開采“大、小結(jié)構(gòu)”分析

由于地質(zhì)賦存條件不同，“小結(jié)構(gòu)”維護的難易程度及上覆巖層形成的“大結(jié)構(gòu)”不盡相同，特厚煤層綜放工作面由于一次采出高度大，不規(guī)則垮落帶、裂隙帶范圍增大，造成上覆巖層基本頂砌體梁“大結(jié)構(gòu)”層位上移，而下方直接頂多為組合懸臂梁形式，圖5為特厚煤層超大采高工作面支架-圍巖耦合示意圖。在計算支架額定工作阻力時，需根據(jù)頂板結(jié)構(gòu)考慮靜載和動載沖擊，如圖6所示，靜載壓力由頂板變形所引起，包含直接頂變形壓力和基本頂變形壓力。直接頂變形壓力可根據(jù)覆巖垮落角和懸梁長度計算組合倒臺階懸臂梁破斷時自身重力(圖5中Gi)，基本頂變形壓力需根據(jù)“砌體梁”理論中關(guān)鍵塊分析計算，對關(guān)鍵塊A和B進行受力分析，需考慮關(guān)鍵塊重力、水平擠壓力、摩擦力、垮落帶支撐力等因素，列出相應的平衡方程進行計算。而基本頂“大結(jié)構(gòu)”斷裂失穩(wěn)(轉(zhuǎn)動或滑移失穩(wěn))形成的動載沖擊壓力難以精確量化計算，通常采用靜載壓力乘以動載系數(shù)的方式進行估算，而動載系數(shù)根據(jù)覆巖條件不同變化較大，一般為1.5～3.0。

圖5 特厚煤層超大采高工作面支架-圍巖耦合示意Fig.5 Coupling between hydraulic support and surrounding rock in longwall face with extra thick coal seam and super large mining height

圖6 頂板覆巖載荷分析Fig.6 Analysis of roof load

除采用解析計算式量化計算外額定工作阻力外，目前采用較多的方式還有數(shù)值模擬、相似模擬和工程類比等。金雞灘煤礦西翼8 m超大采高工作面通過采用合理的初撐力、工作阻力、架型結(jié)構(gòu)設(shè)計和支架-圍巖耦合控制系統(tǒng)，保證了支架-圍巖“小結(jié)構(gòu)”具有較強的穩(wěn)定性，開采經(jīng)驗表明:采高在6.5～7.5 m時，開采效率最高。因此，在金雞灘煤礦東翼采區(qū)進行超大采高放頂煤支架設(shè)計時，分析和借鑒西翼8 m超大采高工作面開采經(jīng)驗，認為采用兩柱掩護式超大采高液壓支架(圖7)，割煤高度6.5 m左右，初撐力16 545 kN，工作阻力21 000 kN(與8 m超大采高支架相同)，能夠維護“小結(jié)構(gòu)”內(nèi)支架和圍巖穩(wěn)定，既有利于煤壁的維護，又有利于頂煤的冒放。

圖7 ZFY21000/35.5/70D兩柱強力放頂煤液壓支架Fig.7 ZFY21000/35.5/70D type 2-legged LTCC support

3 “小結(jié)構(gòu)”內(nèi)支架結(jié)構(gòu)對頂煤冒放結(jié)構(gòu)的影響

對于堅硬特厚煤層綜放開采而言，除了探索上覆巖層“大結(jié)構(gòu)”變形、破壞和失穩(wěn)運動規(guī)律并優(yōu)化設(shè)計圍巖“小結(jié)構(gòu)”支護系統(tǒng)以適應“大結(jié)構(gòu)”動載來壓外，還應重點考慮“小結(jié)構(gòu)”內(nèi)支架結(jié)構(gòu)與堅硬頂煤冒放結(jié)構(gòu)的耦合。除考慮強度、剛度和穩(wěn)定性耦合外，還需考慮支架結(jié)構(gòu)和放煤機構(gòu)參數(shù)(空間位態(tài)、放煤口開度等)對頂煤冒放運移規(guī)律(頂煤煤流運移速度、成拱概率、冒落形態(tài)等)和支架載荷(頂梁、掩護梁、尾梁受力)演化過程的影響，優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)，特別是掩護梁、尾梁和插板位置及結(jié)構(gòu)參數(shù)，使支架結(jié)構(gòu)設(shè)計能更好地適應頂煤的冒放過程，提高放煤效率，降低含矸率。

為保證工作面前方煤壁和頂板穩(wěn)定，綜采放頂煤工作面支架最大高度一般小于5 m，對于堅硬難冒放頂煤通常采用水力壓裂、松動爆破等措施[5-6]來弱化預裂頂煤，使頂煤塊度減小到容易冒放的尺寸，增強頂煤的冒放性，但這些輔助措施工序復雜、成本高、耗時長，影響工作面高產(chǎn)高效，且措施不當時具有較高危險性。因此，研究支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進對堅硬頂煤冒放結(jié)構(gòu)、運移規(guī)律和采出率的影響具有必要性，尤其是增大支架結(jié)構(gòu)高度不僅能通過“多采少放”促進采放協(xié)調(diào)，提高工作面開采效率和采出率，還可通過提高頂煤冒放性來提高工作面采出率。

3.1 堅硬頂煤冒落和放出結(jié)構(gòu)分析

許多學者直接將頂煤假設(shè)為松散體[7]，并進行了散體冒放運移和成拱機理的研究，但這一假設(shè)僅適用于松軟易碎或裂隙發(fā)育的煤層。榆神礦區(qū)堅硬特厚煤層工作面生產(chǎn)實踐表明:在采高小于5 m的情況下，完整堅硬特厚煤層支架掩護梁上方頂煤常常懸而不垮、冒落塊度大而難以放出，造成頂煤采出率低、后部刮板機和破碎機易損壞、壽命短。圖8為千樹塔礦綜放工作面4 m大采高條件下支架上方處于完整狀態(tài)懸而不垮的堅硬頂煤(圖8(a))和冒落下來的大塊煤(圖8(b))。因此，對于堅硬特厚煤層不能簡單地將頂煤假設(shè)為散體結(jié)構(gòu)，需考慮頂煤由整體結(jié)構(gòu)演化為散體結(jié)構(gòu)的過程，并考慮采取相應措施降低頂煤塊度。

圖8 千樹塔煤礦綜放工作面頂煤冒放狀態(tài)Fig.8 Top-coal drawing state of LTCC face in Qianshuta Coal Mine

對于頂煤冒放合理塊度，按照溜井設(shè)計規(guī)范[8-9]，要求采場溜井直徑應不小于最大塊度的3倍。同樣，對于放頂煤工作面，若頂煤最大塊度小于放煤口尺寸的1/3，則放煤順暢不易成拱。因此，完整堅硬頂煤能順利放出的前提是頂煤在放出前由整體結(jié)構(gòu)演化為小塊散體結(jié)構(gòu)(圖9)。堅硬且整體性強的頂煤必須經(jīng)歷某種破碎過程轉(zhuǎn)變?yōu)樾K散體結(jié)構(gòu)，才能順利通過放煤口放出，頂煤的破碎演化過程可以通過礦山壓力、支架反復支撐作用、松動爆破、水壓致裂、冒落運移過程中碰撞及尾梁擺動二次破煤等方式。

圖9 頂煤小塊散體冒放結(jié)構(gòu)Fig.9 Small and loose caving structure of top-coal

3.2 支架結(jié)構(gòu)高度(采放比)對頂煤冒放結(jié)構(gòu)的影響

巖石具有抗壓不抗拉的力學性能，通常抗拉強度為抗壓強度的1/10～1/20[10]。完整堅硬頂煤為懸臂梁結(jié)構(gòu)的情況下，結(jié)合懸臂梁應力分布特征可判斷其斷裂方式為固支端頂部拉應力超過其抗拉強度而產(chǎn)生由上向下發(fā)展的斷裂面，強度準則可采用格里菲斯強度準則。

如圖10所示，懸臂梁在自重及均布載荷作用下，其應力[11-12]可表示為

圖10 受重力和均布載荷的懸臂梁力學模型Fig.10 Mechanical model of antilever beam under gravity and uniformly distributed load

水平應力:

(1)

垂直應力:

(2)

剪應力:

(3)

(4)

由式(4)可知，懸臂梁最大懸頂距Lmax與最大抗拉強度[σt]、梁的厚度h以及所受載荷q相關(guān)。針對某一特定煤層，煤體自身抗拉強度是確定的(假設(shè)[σt]平均為1.7 MPa)，則頂煤懸臂梁最大懸頂距Lmax與梁的厚度h以及所受載荷q關(guān)系如圖11所示。

圖11 金雞灘煤礦頂煤最大懸頂距與頂煤厚度及其所受載荷關(guān)系Fig.11 Relationship of the maximum roof cantilever distance of top coal and the thickness of top coal as well as the applied load in Jinjitan Mine

采用彈塑性力學計算，煤壁前方塑性區(qū)范圍x0的表達式[13]為

(5)

式中,m為煤層開采高度;φ0為煤層界面內(nèi)摩擦角;k為最大應力集中系數(shù);γ為巖層平均容重;H為煤層開采高度;C0為煤層界面黏聚力;Px為支架對煤壁的側(cè)向約束力。

由理論計算(式(5))知，隨開采高度增加，煤壁塑性區(qū)范圍線性增大。由采高與圍巖塑性區(qū)關(guān)系數(shù)值模擬結(jié)果(圖12)同樣可知，隨采高增加塑性區(qū)范圍增大，也就是頂煤變形破壞區(qū)增大。

但實際煤層開采中，由于煤層原生裂隙和礦山壓力導致的采動裂隙的存在、頂煤所受實際載荷為非均布載荷且非靜載荷、支架對頂煤反復支撐等多種因素的影響，頂煤的實際的破斷較為復雜。但隨著支架結(jié)構(gòu)高度的增加，無論從礦山壓力顯現(xiàn)的外因還是頂煤懸臂梁垮落的內(nèi)因角度，都會降低堅硬頂煤懸頂長度。

圖13為采用PFC模擬硬煤放頂煤工作面頂煤冒放結(jié)構(gòu)圖。由模擬結(jié)果可知:① 下位頂煤容易受集中力作用而破碎為較小的塊體，頂煤自下而上，塊度逐漸增加;② 大塊煤容易形成大力鏈拱結(jié)構(gòu)且拱結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，小塊煤難以形成穩(wěn)定拱結(jié)構(gòu)，僅形成小力鏈不穩(wěn)定拱結(jié)構(gòu);③ 增大采高可減小頂煤懸頂長度，減小上位頂煤的塊度。由此可知，通過支架結(jié)構(gòu)高度的改變，增加采高，可以改善頂煤的冒放結(jié)構(gòu)。

圖12 采高與圍巖塑性區(qū)關(guān)系Fig.12 Relation of mining height and plastic zone of surr-ounding rock

圖13 PFC模擬硬煤頂煤冒結(jié)構(gòu)Fig.13 Top-coal caving structure of hard coal seam using PFC simulation

圖14為采高由3 m增加到9 m，完整堅硬頂煤結(jié)構(gòu)演變規(guī)律示意圖，頂煤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化:長懸臂梁—短懸臂梁—松散破碎體;而垮落頂煤結(jié)構(gòu)演變規(guī)律為:梁拱結(jié)構(gòu)—大塊破碎體(易行成穩(wěn)定塊體拱結(jié)構(gòu))—小塊破碎體(難以形成穩(wěn)定塊體拱結(jié)構(gòu))。

此外，如圖15所示，提高支架高度的同時，支架后部空間增大，頂煤回收區(qū)增大，放煤口尺寸增加，可放置尺寸更大的刮板機，提高理想冒放頂煤塊度的最大尺寸(1/3放煤口尺寸)，另外還可以加快放煤速度和煤流的流暢度，減小頂煤成拱概率。隨采高增加，頂煤冒落空間加大，有利于頂煤冒落過程中二次破碎，頂煤從頂板垮落后將落在支架掩護梁、已垮落的煤塊和矸石上，此過程存在碰撞沖擊，支架高度越高頂煤垮落時沖擊動載越強烈，二次破碎效果越好。

3.3 支架結(jié)構(gòu)高度(采放比)與礦山壓力顯現(xiàn)強度關(guān)系

不同的煤層賦存特征和開采工藝造成圍巖所形成的“大、小結(jié)構(gòu)”特征和運動規(guī)律各異，礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律不盡相同。國內(nèi)外學者[14-18]通過分析頂板大、小結(jié)構(gòu)平衡和失穩(wěn)關(guān)系，提出了許多的理論模型和計算公式來確定支架合理支護強度，但較為通用且認可度較高的是經(jīng)驗估算法[19-20]，即通過4～8倍采高的巖層重量來進行估算。

圖14 支架結(jié)構(gòu)高度(采放比)對頂煤塊度和冒放性的影響Fig.14 Influence of the height of support structure (cutting and caving ratio) on the top-coal lumpiness and cavibiliy

圖15 不同支架結(jié)構(gòu)高度放煤口尺寸對比Fig.15 Size comparison of coal drawing structure with different height of support structure

隨著一次開采高度增加，頂板活動空間增大，直接頂冒落后對采空區(qū)充填不充分，基本頂來壓時易對液壓支架產(chǎn)生沖擊，圍巖控制難度加大。圖16為載荷估算法確定的工作面采高與支護強度關(guān)系，此關(guān)系表明隨采高的增大，支架需要更高的支護強度，開采高度每增加1 m，支護強度增加0.1～0.2 MPa，此關(guān)系從另一方面反映出開采高度增加，礦壓顯現(xiàn)強度增加。

圖16 載荷估算法確定的工作面采高與支護強度關(guān)系Fig.16 Relationship of mining height and supporting intensity in longwall face using load estimation method

生產(chǎn)實踐表明完整堅硬煤層工作面在頂板周期來壓期間冒放性比未來壓期間好，主要表現(xiàn)為頂煤垮落及時、塊度小和采出量大。因此，增強工作面礦壓顯現(xiàn)程度有利于堅硬頂煤的冒放。通過數(shù)值模擬分析工作面采高對圍巖垂直應力分布影響云圖(圖17)可知:機采割煤高度增加對圍巖整體應力分布影響并不顯著，這是由于對于綜放工作面而言，圍巖整體應力分布主要由開采高度(割煤高度+放煤高度)決定;增大割煤高度(由4 m增加到6 m)對超前支撐壓力集中區(qū)范圍和應力峰值影響較為顯著，峰值應力由41.8 MPa增加到43.2 MPa，應力峰值集中區(qū)范圍增大約2倍，且峰值應力范圍在頂煤中，有利于頂煤的破碎。

3.4 放煤機構(gòu)結(jié)構(gòu)對頂煤冒放結(jié)構(gòu)影響

3.4.1放煤口位置對頂煤冒放結(jié)構(gòu)影響

隨著對頂煤運移冒放規(guī)律、支架結(jié)構(gòu)對頂煤冒放結(jié)構(gòu)和頂煤采出率的影響關(guān)系的深入研究，放頂煤支架放煤機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)生了較大改變。其中，放煤口位置的選擇不僅影響支架結(jié)構(gòu)設(shè)計，而且影響采煤工藝和頂煤采出率。如圖18所示，放煤口位置由最初的高位放頂煤發(fā)展到中位放頂煤，再到目前普遍使用的低位放頂煤，不僅支架結(jié)構(gòu)和放煤機構(gòu)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，刮板輸送機也由高位放頂煤的僅前部一部刮板輸送機(圖18(a))，發(fā)展到中位放頂煤的前部一部刮板輸送機和掩護梁下部一部刮板輸送機(圖18(b))，再到低位放頂煤的前部一部刮板輸送機和尾梁下的一部刮板輸送機(圖18(c))。放煤機構(gòu)位置和結(jié)構(gòu)的改變，對放煤工藝有較大的改善，減少了工作面放煤過程產(chǎn)塵量、提升了放煤效率和頂煤采出率、改善了作業(yè)空間和環(huán)境。

圖17 工作面采高對圍巖垂直應力分布影響云圖Fig.17 Stress nephogram of influence of mining height on vertical stress distribution of surrounding rock in longwall face

圖18 高位、中位、低位放頂煤支架及頂煤冒放結(jié)構(gòu)示意Fig.18 Schematic diagram of high-position,middle-position,low-position LTCC support and top-coal caving structure

3.4.2放煤口寬度和冒落塊度對成拱關(guān)系影響

冒落頂煤成散體狀態(tài)，在放出過程中可能形成散體拱結(jié)構(gòu)，散體拱結(jié)構(gòu)是由不同塊體間相互擠壓、摩擦和咬合形成的。頂煤的塊度與支架放煤口寬度之間的相對關(guān)系將直接影響頂煤成拱類型和成拱概率。通常來說，冒落頂煤塊度相對于支架放煤口寬度的尺寸越大，頂煤越易成拱。依據(jù)頂煤塊度與放煤口尺寸關(guān)系，冒落頂煤可能形成單一煤塊斜跨掩護梁或尾梁的極穩(wěn)定梁拱(圖19(a))、少量(2～4塊)大煤塊擠壓咬合形成的較穩(wěn)定塊體鉸接拱結(jié)構(gòu)(圖19(b))和大量(4塊以上)小煤塊形成的不穩(wěn)定散體拱結(jié)構(gòu)(圖19(c))。

冒落頂煤放出過程中可能形成兩種拱結(jié)構(gòu):瞬時動態(tài)拱結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定靜態(tài)拱結(jié)構(gòu)。瞬時動態(tài)拱結(jié)構(gòu)是冒落頂煤塊度相對支架放煤口寬度較小時容易形成的一種拱結(jié)構(gòu)類型，具有瞬時性和動態(tài)性，相互間力鏈作用較弱，穩(wěn)定性差，不需額外作用力即可破拱，雖不會堵死放煤口，但會影響冒落頂煤放出時的運移速度，降低放煤效率;靜態(tài)拱結(jié)構(gòu)則是冒落頂煤塊度相對支架放煤口寬度較大時容易形成的一種拱結(jié)構(gòu)類型，具有穩(wěn)定性和靜態(tài)性，相互間力鏈作用較強，穩(wěn)定性強，需額外作用力才能破拱，會堵死放煤口，阻礙頂煤的放出，降低頂煤采出率。

針對頂煤冒放過程中瞬時動態(tài)拱結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定靜態(tài)拱結(jié)構(gòu)影響放煤效率和頂煤采出率的問題，可通過優(yōu)化和改進放煤機構(gòu)結(jié)構(gòu)來影響頂煤所形成的拱結(jié)構(gòu)。對此，可從以下方面進行:① 增大放煤口尺寸，提高理想冒放塊度的最大尺寸;② 冒落放出過程中二次破碎頂煤，減小冒落頂煤的塊度;③ 對冒落頂煤拱結(jié)構(gòu)進行人工強擾動，降低成拱概率，使煤流暢通。目前，在尾梁結(jié)構(gòu)改進方面進行了許多工作，以三級放煤機構(gòu)和增強型破煤結(jié)構(gòu)為例說明。

圖19 冒落頂煤成拱示意Fig.19 Forming arch of caving top-coal

如圖20所示，液壓支架采高相同情況下，三機放煤機構(gòu)相對傳統(tǒng)二級放煤機構(gòu)具有更大的放煤空間，三機尾梁的一級尾梁與掩護梁夾角可達到13°，增大放煤口的尺寸，液壓支架后部放煤空間增大約23%，同時增大尾梁擺動的活動半徑，提高尾梁擺動對后部頂煤成拱的破壞范圍，有助于頂煤的冒落放出[21]。

如圖21所示，通過在掩護梁和尾梁增加棱形或錐形結(jié)構(gòu)，使冒落頂煤后與尾梁的碰撞由面接觸向線接觸或點接觸轉(zhuǎn)換，使煤體受力集中，更容易破碎。

圖20 三級放煤機構(gòu)與二級放煤機構(gòu)對比Fig.20 Comparison between three-stage coal-drawing mechanism and two-stage coal-drawing mechanism

圖21 增強型破煤結(jié)構(gòu)Fig.21 Enhanced coal breaking structure

3.4.3尾梁擺動強擾動破拱破煤

在放煤過程中，針對頂煤冒放過程中成拱和大塊煤堵塞放煤的現(xiàn)象，通過支架尾梁的擺動(圖22)可以破壞散體拱基底平衡或擠碎大塊煤，使頂煤冒放更加順暢。支架結(jié)構(gòu)高度越大，后部空間越大，尾梁擾動影響范圍越大，且可選用更大缸徑的尾梁油缸，增加尾梁破煤能力。同時，尾梁采用棱形或錐形結(jié)構(gòu)(圖23)設(shè)計，增加尾梁與冒落大塊頂煤接觸時的應力集中程度，更容易破煤，增強頂煤破碎效果。

圖22 支架尾梁擺動破拱破煤示意Fig.22 Schematic diagram of breaking coal and breaking arch by swing of tail canopy

圖23 錐形強力破煤結(jié)構(gòu)示意Fig.23 Schematic diagram of cone-shape enhanced coal breaking structure

如圖24所示，由于錐形體或棱形體結(jié)構(gòu)尖端與煤體接觸面積較小，可將其力學模型簡化為楔狀剛體沖頭壓入半無限平板(S+)模型，模型求解結(jié)果如式(6)所示[11]:

(6)

圖24 楔狀剛體沖頭的壓入模型Fig.24 Wedge-shaped rigid punch model

利用煤體抗壓不抗拉的特性，可使用錐或楞形結(jié)構(gòu)形成的尖劈作用(圖25)，將煤體由受壓破壞轉(zhuǎn)為受拉破壞，且尖劈具有“以小力發(fā)大力”的作用，可降低煤體破碎難度，提高煤體破碎程度。

圖25 裂紋尖端劈裂張拉破壞示意Fig.25 Crack tip splitting tensile failure diagram

斜劈力可由式(7)計算，楔形體頂部夾角與斜劈力和垂向力比值關(guān)系如圖26所示，當楔形體頂部夾角a<60°時，T>F。

(7)

尾梁和掩護梁背板錐形或楞形結(jié)構(gòu)設(shè)計可對煤體形成楔形體的劈裂作用和裂紋尖端劈裂張拉的集中應力，具有強力破煤作用，大幅度增強破煤效果。試驗效果和數(shù)值模擬效果如圖27所示。

圖26 楔形體頂部夾角與斜劈力和垂向力比值關(guān)系Fig.26 Relation between the angle of the top of wedge and the ratio of oblique and vertical force

圖27 楔形體破煤試驗及數(shù)值模擬效果Fig.27 Coal breaking test numerial simulation of wedge

4 結(jié) 論

(1)支架-圍巖結(jié)構(gòu)耦合是支架-圍巖強度、剛度、穩(wěn)定性耦合的基礎(chǔ)和實現(xiàn)途徑，支架-圍巖初次耦合作用可主動強化圍巖“小結(jié)構(gòu)”，二次耦合作用在于被動適應圍巖“大結(jié)構(gòu)”強礦壓。

(2)對于綜放工作面還需考慮支架結(jié)構(gòu)，特別是放煤結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，與頂煤冒放結(jié)構(gòu)的耦合，實現(xiàn)頂煤順利冒落放出，提高頂煤采出率。

(3)提升支架結(jié)構(gòu)高度增加機采割煤高度，不僅可以“多割少放”增強工作面采放協(xié)調(diào)，提高開采效率，還可通過增強工作面礦山壓力顯現(xiàn)程度、減小堅硬頂煤懸頂長度、增大放煤口尺寸等方式改善頂煤冒放結(jié)構(gòu)和形態(tài)。

(4)放煤機構(gòu)空間位置、尺寸、二次破煤效果對頂煤破拱能力和冒放結(jié)構(gòu)有重要影響，優(yōu)化放煤機構(gòu)結(jié)構(gòu)可改善放煤工藝和放煤效果。

(5)考慮煤體抗壓不抗拉特性，放煤機構(gòu)的強力破煤結(jié)構(gòu)設(shè)計時可考慮采用楔形破煤方式，通過劈裂作用破煤。