翁海龍，周 峰

(神東煤炭集團(tuán)保德煤礦，山西 忻州 036600)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)厚煤層儲(chǔ)量大國(guó)，厚煤層資源廣泛分布于全國(guó)各大礦區(qū)。隨著采煤技術(shù)的發(fā)展，綜放開采已成為厚煤層開采的主要方法。液壓支架作為綜放設(shè)備的核心，其能夠有效保證必要的作業(yè)空間和工作面綜放設(shè)備的機(jī)械化移動(dòng)[1-3]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在綜放面，尤其是煤層厚度達(dá)到10 m以上時(shí)，工作面支架收縮、壓壞事故頻繁發(fā)生，影響工作面正常推進(jìn)[4-5]。究其原因，主要是液壓支架的工作阻力不能有效控制煤層頂板。

近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，取得了顯著的成果[6-8]。張頂立等[9]依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、相似模擬實(shí)驗(yàn)和有限元分析結(jié)果，初步建立了綜放采場(chǎng)上覆巖層結(jié)構(gòu)模型。于雷等[10]采用理論分析方法對(duì)頂板巖層進(jìn)行研究，給出了直接頂、基本頂?shù)男赂拍罴芭袚?jù)?？琢詈11]采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)宏觀觀測(cè)，將支架的工作狀態(tài)分為3類。但對(duì)于特定的厚煤層綜放工作面而言，這些研究成果實(shí)際應(yīng)用較少。因此，有必要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況建立模型，分析工作面的合理工作阻力。

1 頂板結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

1.1 直接頂運(yùn)動(dòng)參數(shù)

直接頂厚度計(jì)算:假設(shè)頂板冒落性較好，放頂煤開采時(shí)采空區(qū)遺煤厚度、老頂巖梁沉降值和冒落直接頂將會(huì)充填已采空間，得出

(1)

式中，h為煤層厚度,m；MZ為綜放采場(chǎng)直接頂厚度,m；η為回采率,%；SA為老頂巖層沉降值，取0.2 h；KA為直接頂冒落后的膨脹系數(shù),取1.25～1.3。

直接頂斷裂步距:按照簡(jiǎn)支梁計(jì)算公式，直接頂初次斷裂步距LOZ，見式(2)

(2)

按照懸臂梁公式計(jì)算LOZ，見式(3)

(3)

式中，LOZ為直接頂單巖層初次斷裂步距，m；σ為巖層抗拉強(qiáng)度，MPa；γ為巖層容重，N/m3。

1.2 老頂厚度計(jì)算

老頂也叫基本頂，其周期性運(yùn)動(dòng)是回采工作面礦壓呈現(xiàn)周期性變化的根源。由式(4)計(jì)算工作面老頂厚度。

(4)

式中，P為周期來壓時(shí)頂板壓力,MPa；ME為老頂厚度,m；γE為老頂容重,N/m3；A為直接頂對(duì)支架作用力,MPa；c為老頂周期來壓步距,m；LK為工作面最小控頂距,m。

1.3 直接頂頂板巖層組成

在工作面正常推進(jìn)過程中，支架所承受的頂板壓力是上覆巖層的重量，如果懸頂距Ls為0，則重量全部作用于支架上，如果Ls>0，支架切頂線后方巖重將會(huì)以力矩形式作用在控頂區(qū)內(nèi)支架上。此時(shí)，頂板的壓力為

PT=MZ·γ·fz

(5)

其中，fZ可以用式(6)計(jì)算

(6)

式中,PT為頂板壓力,MPa；fZ為懸頂系數(shù),取0.95～2.50；S0為支架合理作用點(diǎn)距煤壁距離,m；LK為支架控頂距,m；LS為懸頂距,m。

假設(shè)煤層上方包含3層巖石，從下至上依次命名為①、②、③。把工作面直接頂巖層的組成分成兩種情況考慮，一種是由單一巖層組成；另一種是由①～②或①～③多個(gè)巖層組成。分別計(jì)算其頂板巖層的壓力，見表1。

表1 工作面直接頂巖層組成

對(duì)工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，比較上覆巖層產(chǎn)生的頂板壓力和來壓前之間最大支護(hù)強(qiáng)度，即可確定直接頂?shù)膸r層組成。

2 新開工作面頂板壓力和支護(hù)強(qiáng)度確定

2.1 頂板結(jié)構(gòu)模型法+動(dòng)載系數(shù)法計(jì)算頂板壓力

來壓前的工作面頂板壓力：綜放工作面來壓前頂板壓力為A

(7)

式中，A為直接頂壓力，MPa；MZi為分層直接頂厚度,m；γZi為直接頂分層容重,N/m3；fZi為分層懸頂系數(shù)；n為分層個(gè)數(shù)；h′為頂煤厚度,m；γ′為頂煤容重,N/m3；f′為頂煤懸頂系數(shù)。

來壓時(shí)工作面頂板壓力:新開工作面的頂板壓力見式(8)

PT=KD·A

(8)

其中

KD=KD′+2σn

(9)

式中，PT為新開工作面頂板直接頂結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算的來壓時(shí)頂板壓力,MPa；A為新開工作面直接頂作用力,MPa；KD為新開工作面動(dòng)載系數(shù)，按已采工作面動(dòng)載系數(shù)均值加上2倍均方差得到。

2.2 類比法估算新開工作面頂板壓力

按照相鄰已采工作面頂板合理支護(hù)強(qiáng)度乘以1倍系數(shù)得到的支護(hù)強(qiáng)度PT′作為一個(gè)新的預(yù)測(cè)指標(biāo)來類比新開工作面的合理支護(hù)強(qiáng)度。

3 工程實(shí)踐

3.1 81305工作面概況

81305工作面位于三盤區(qū)，采用綜放工藝，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度5.5～10.0 m，平均7.3 m，含夾矸4～5層。工作面長(zhǎng)度240 m，推進(jìn)長(zhǎng)度2 394 m。一側(cè)采空，工作面頂板較為破碎?，F(xiàn)采用平煤機(jī)ZFY12500/25/39D兩柱掩護(hù)式放頂煤支架，支撐高度2 500～3 900 mm，工作阻力12 500 kN，支架中心距1 750 mm，工作面共布置支架141臺(tái)，其中基本支架129臺(tái)。割煤高度為3.8 m，放頂煤高度3.0 m。81305工作面基礎(chǔ)參數(shù)見表2。

表2 81305工作面基礎(chǔ)參數(shù)

3.2 81305工作面實(shí)測(cè)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

為簡(jiǎn)化分析，選取工作面上部、中部和下部25#、50#、70#、90#和120#支架作為重點(diǎn)支架，對(duì)工作阻力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在工作面441.6～564.0 m正常推進(jìn)約122.4 m的過程中，工作面經(jīng)歷了8～9次周期來壓。

3.3 工作面頂板結(jié)構(gòu)模型

頂板巖層產(chǎn)生壓力計(jì)算值：依照工作面綜合柱狀圖，煤層上方3層巖石，從下至上依次為①含礫粗粒砂巖；②粗粒砂巖；③泥巖，單層厚度分別為2.83 m、6.80 m、7.79 m。對(duì)其進(jìn)行組合，頂板巖層產(chǎn)生的壓力見表3。分析可知，工作面直接頂最可能由單一巖層①、②、③組成，它們共同產(chǎn)生的頂板巖重為1.10 MPa，和工作面實(shí)測(cè)的來壓前最大平均支護(hù)強(qiáng)度A2(0.95 MPa)最接近。

表3 81305工作面頂板巖層產(chǎn)生壓力計(jì)算值

正常開采階段頂板結(jié)構(gòu)模型：結(jié)合工作面頂板巖層力學(xué)參數(shù)，通過計(jì)算得出81305工作面直接頂厚度MZ為14.7～17.7 m，直接頂初次斷裂步距為6.9～11.2 m，直接頂周期斷裂步距為9.6 m。工作面老頂基準(zhǔn)厚度為6.7 m，初次斷裂步距為37.9 m，周期斷裂步距為15.5 m。構(gòu)建81305綜放工作面正常開采階段頂板結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 81305工作面正常開采階段頂板結(jié)構(gòu)模型

3.4 新開81504工作面支護(hù)強(qiáng)度確定

3.4.1 頂板結(jié)構(gòu)模型法

參照上述頂板壓力計(jì)算的方法，運(yùn)用頂板結(jié)構(gòu)模型法對(duì)新開81504工作面支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行分析。得出新開81504工作面直接頂作用力A1為0.79 MPa，來壓時(shí)頂板壓力PT1為1.06 MPa，利用相鄰81305實(shí)測(cè)來壓前頂板壓力A2計(jì)算新開工作面來壓時(shí)頂板壓力PT2為1.27 MPa?？紤]到支架結(jié)構(gòu)尺寸和立柱傾斜角的影響，取支架的支護(hù)強(qiáng)度PT′為1.05PT。即PT′為1.11～1.33 MPa。

3.4.2 數(shù)值模擬法

結(jié)合81504綜放工作面煤層賦存條件，采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。搭建數(shù)值模型，在工作面中部位置距煤壁0 m、1 m、2 m、3 m處，支護(hù)強(qiáng)度分別為0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa、1.0 MPa、1.1 MPa、1.2 MPa、1.3 MPa、1.4 MPa、1.5 MPa、1.6 MPa、1.7 MPa、1.8 MPa時(shí)，統(tǒng)計(jì)不同支護(hù)強(qiáng)度下的頂煤平均下沉量，如圖2所示?？芍?，隨著支架支護(hù)強(qiáng)度的增加，頂板平均下沉量逐漸減少，當(dāng)支架的支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到一定值后，工作阻力再增加，對(duì)頂板的平均下沉量影響較小。分析可知，支架的合理支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)為1.3 MPa。

圖2 支護(hù)強(qiáng)度與頂煤平均下沉位移擬合曲線

3.4.3 類比法

對(duì)已采81305工作面5臺(tái)重點(diǎn)支架實(shí)測(cè)礦壓規(guī)律進(jìn)行分析，老頂周期來壓時(shí)，工作面最大工作阻力12 472 kN，支架平均工作阻力11 399 kN，約占支架額定工作阻力12 500 kN的91.2%。其中工作面中部50#～90#支架來壓時(shí)壓力較大，周期來壓明顯。在工作面回采過程中未發(fā)生支架收縮和壓架事故，可以認(rèn)為支架的額定工作阻力12 500 kN，即為工作面合理工作阻力。支架支護(hù)強(qiáng)度PT′計(jì)算公式為

(10)

式中，p為支架工作阻力，MPa；S為支架的支護(hù)面積,m2；D為支架中心距，m；LKmin為最小控頂距，m。將支架的額定工作阻力代入公式，得到支架支護(hù)強(qiáng)度PT′為1.38 MPa，對(duì)應(yīng)的頂板壓力PT為1.31 MPa。

通過分析可知，利用頂板結(jié)構(gòu)模型法計(jì)算出的支架支護(hù)強(qiáng)度略小于已采工作面類比法。由于五盤區(qū)已采工作面礦壓顯現(xiàn)不明顯，片幫200～300 mm，支架安全閥很少開啟。同時(shí)考慮新開五盤區(qū)81504工作面煤層埋深變深，工作面巖性有較大變化，遇特殊地質(zhì)條件可能無法滿足頂板支護(hù)要求，因此選取類比法來確定新開81504工作面的支付強(qiáng)度。即新開工作面支架合理工作阻力R為12 500 kN，支護(hù)強(qiáng)度1.38 MPa，頂板壓力1.31 MPa。

3.5 回采期間礦壓觀測(cè)

為了更好地研究工作面周期來壓步距及來壓期間的壓力分布和來壓強(qiáng)度，在工作面141臺(tái)支架中選擇A=5×(1，2，…，28)作為研究對(duì)象，進(jìn)行觀測(cè)，每割一刀煤(循環(huán)步距0.865 m)記錄一次支架PM32顯示數(shù)據(jù)，利用Excel軟件制成圖表，周期來壓曲面圖，如圖3所示，從而看出頂板巖層的活動(dòng)和周期來壓步距，為研究工作面周期來壓步距提供方便。同時(shí)要觀測(cè)來壓期間的煤壁片幫程度、頂板漏矸、支架立柱下沉、安全閥開啟程度等情況，與頂板壓力曲面圖相結(jié)合來總結(jié)綜放工作面周期來壓規(guī)律。

根據(jù)工作面周期來壓曲面如圖3所示，工作面向回撤通道方向距離切眼706 m、725 m、750 m處分別出現(xiàn)周期來壓，來壓不明顯且不同步。來壓段工作面頂板下沉量較大，支架安全閥部分開啟，煤壁片幫嚴(yán)重，割煤時(shí)煤塊飛濺，頂板破碎等。該段工作面回采位置對(duì)應(yīng)地表：工作面整體處于山坡處，基巖厚度220～225 m，松散層厚度105.5～120.5 m，煤層平均厚度7.4 m，煤層底板標(biāo)高650～675 m，工作面整體為正坡推進(jìn)。觀測(cè)分析期間周期來壓步距與預(yù)測(cè)的22 m的步距基本吻合。根據(jù)目前工作面推進(jìn)速度，若工作面前方頂板上覆基巖巖性、厚度等未發(fā)生較大變化時(shí)，預(yù)測(cè)下一次周期來壓步距為22 m左右。

圖3 81504綜放面周期來壓曲面圖(700～750 m)

4 結(jié)論

(1)以巖石力學(xué)的基本理論構(gòu)建工作面頂板結(jié)構(gòu)模型，通過實(shí)測(cè)已采81305工作面礦壓規(guī)律和計(jì)算，得出工作面直接頂由單一巖層①、②、③組成，總厚度為17.42 m，直接頂初次斷裂步距為6.9～11.2 m，直接頂周期斷裂步距為9.6 m。工作面老頂基準(zhǔn)厚度為6.7 m，初次斷裂步距為37.9 m，周期斷裂步距為15.5 m。

(2)綜合頂板結(jié)構(gòu)模型法和類比法，確定新開81504工作面支架合理工作阻力R為12 500 kN，支護(hù)強(qiáng)度1.38 MPa，頂板壓力1.31 MPa。

(3)通過控制臺(tái)記錄每刀支架載荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并分析，可以得出該工作面周期來壓規(guī)律較明顯，工作面持續(xù)壓力較大，工作面完成4～7個(gè)割煤循環(huán)后，壓力明顯減小，周期來壓期間，工作面中部30#～130#支架壓力有明顯增大，煤壁片幫嚴(yán)重，架前有漏頂現(xiàn)象，但該區(qū)域支架安全閥開啟不多，未見立柱明顯下沉，沒有發(fā)生過支架縱向和橫向傾斜歪倒等明顯的支架失穩(wěn)現(xiàn)象，移架速度快，支護(hù)效果好。