翟子波

(山西晉煤集團(tuán)沁水胡底煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048200)

1 工程概況

胡底煤礦1303(上)工作面位于3號(hào)煤一盤(pán)區(qū)，工作面埋深594 m左右，開(kāi)采煤層為3號(hào)煤層，煤層厚度5.20～6.15 m，平均厚度5.72 m。煤層頂板為7.34 m厚的粉質(zhì)泥巖，含植物化石較堅(jiān)硬，老頂為3.56 m厚細(xì)粒砂巖，直接底為6.78 m厚粉砂質(zhì)泥巖，老底為3.8 m厚細(xì)砂巖。1303(上)工作面回采上分層平均采高在2.85 m，簡(jiǎn)單煤層結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定。工作面采用MG250/600-WD型交流電牽引采煤機(jī)進(jìn)行回采，工作面液壓支架共計(jì)147架，其中，中間架采用ZPZ5200/17/35型140架，過(guò)渡架采用ZPG5200/17/35型支架5架(排頭2架，排尾3架)，端頭支架采用ZTZ11582/18/35型支架2架進(jìn)行支護(hù)。

由于在上一工作面回采過(guò)程中，兩巷變形嚴(yán)重，因此需要對(duì)工作面回采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究，保證工作面的正常推進(jìn)。

2 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的理論分析

2.1 工作面初次來(lái)壓步距分析

通過(guò)采用彈性力學(xué)理論，把關(guān)鍵層初次破斷前的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為固支梁模型進(jìn)行分析。

圖1 固支梁應(yīng)力模型

由固支梁受力特征及其邊界條件可求出其各應(yīng)力分量表達(dá)式如下：

根據(jù)對(duì)稱性可知梁的(0，h/2)處剪應(yīng)力為零，其橫向截面上的正應(yīng)力即為橫向主應(yīng)力σ，在(0，h/2)處拉應(yīng)力σ達(dá)到最大值，即：

由此可以判斷出，當(dāng)簡(jiǎn)化后模型放生初次破斷時(shí)，其應(yīng)力應(yīng)達(dá)到極限值σ1max，及巖梁破斷時(shí)其跨距及初次來(lái)壓的距離Ls滿足下式。

式中：Ls為基本頂初次來(lái)壓步距，m；h為基本頂厚度，取7.34 m；n為巖梁發(fā)生破斷垮落時(shí)的安全系數(shù)，取1.5；q為基本頂所受載荷，取0.578 MPa；σ為基本頂抗拉強(qiáng)度，取3.26 MPa。

結(jié)合礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)帶入初次來(lái)壓步距求得基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距Ls為27.7 m。

2.2 工作面周期來(lái)壓步距分析

在頂板關(guān)鍵層初次破斷垮落后，隨著回采工作面的推進(jìn)，開(kāi)采空間不斷增加，頂板巖層不斷經(jīng)歷“離層—垮落—離層”的過(guò)程，即周期來(lái)壓。簡(jiǎn)化后的頂板巖梁模型一端固支、另一端懸空的狀態(tài)，因偽頂與直接頂相對(duì)較薄，其垮落后破碎的巖石未能接觸到采空區(qū)基本頂，構(gòu)成了類(lèi)似懸臂梁的結(jié)構(gòu)。

圖2 懸臂梁應(yīng)力模型

根據(jù)現(xiàn)有科研人員對(duì)懸臂梁的研究，對(duì)簡(jiǎn)化后應(yīng)力模型進(jìn)行分析可知其應(yīng)力方程為：

平面坐標(biāo)的原點(diǎn)取在梁第二次斷裂的截面中心，即第二次斷裂截面上x(chóng)=0，則梁第二次拉斷的極限安全跨距滿足：

根據(jù)工作面回采過(guò)程中，頂板巖塊與采空區(qū)中的矸石一般沒(méi)有水平力的存在，即T=0，則基本頂周期來(lái)壓步距計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為：

式中：l為基本頂周期來(lái)壓步距，m；h為基本頂厚度，取7.34 m；q為基本頂所受載荷，取0.578 MPa；σ為基本頂抗拉強(qiáng)度，取3.26 MPa；將數(shù)據(jù)帶入上式求得基本頂?shù)闹芷趤?lái)壓步距為10.17 m。

根據(jù)理論計(jì)算可以得出，工作面初次來(lái)壓步距為27.7 m，周期來(lái)壓步距為10.17 m。

3 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律監(jiān)測(cè)與分析

為保證礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在1303(上)綜采工作面共鋪設(shè)3個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)分別對(duì)四架液壓支架進(jìn)行壓力測(cè)試，監(jiān)測(cè)礦壓的支架分別為1號(hào)、9號(hào)、19號(hào)、29號(hào)、39號(hào)、49號(hào)、59號(hào)、69號(hào)、79號(hào)、89號(hào)、99號(hào)和109號(hào)支架。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)液壓支架阻力隨推進(jìn)距離變化及支架工作阻力均值和來(lái)壓判據(jù)的計(jì)算可繪制出圖3～圖5。

圖3 上部測(cè)站1號(hào)支架工作阻力隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線

圖4 中部測(cè)站29號(hào)支架工作阻力隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線

圖5 下部測(cè)站89號(hào)支架工作阻力隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線

頂板來(lái)壓的判斷依據(jù)主要是通過(guò)比對(duì)支架的實(shí)測(cè)循環(huán)阻力與各循環(huán)阻力平均值以及其標(biāo)準(zhǔn)差之和的大小來(lái)判斷，即：當(dāng)支架阻力大于等于循環(huán)阻力平均值和循環(huán)阻力的均方差之和時(shí)，頂板發(fā)生周期來(lái)壓。

各個(gè)測(cè)點(diǎn)支架循環(huán)阻力平均值為P0，循環(huán)阻力平均值的均方差為σ，根據(jù)下列公式計(jì)算可得：

式中：σ為循環(huán)阻力平均值的均方差，MPa；n為實(shí)測(cè)循環(huán)個(gè)數(shù)；Pi為各循環(huán)的實(shí)測(cè)循環(huán)阻力，MPa；P0為循環(huán)阻力的平均值，MPa。

根據(jù)上式可計(jì)算出每個(gè)支架的均方差以及來(lái)壓判據(jù)指標(biāo)，見(jiàn)表1。

工作面來(lái)壓強(qiáng)度采用動(dòng)載系數(shù)K來(lái)標(biāo)識(shí)，其值由下式計(jì)算：

式中：Pz為支架在周期來(lái)壓期間的平均工作阻力，MPa；Pf為支架在非周期來(lái)壓期間的平均工作阻力，MPa。

根據(jù)圖3～圖5以及表1的數(shù)據(jù)處理可知，工作面基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距為22.5～28.8 m，周期來(lái)壓步距為6.2～14.4 m，與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。回采期間上部測(cè)站各支架平均工作阻力在16.43～25.96 MPa之間，中部測(cè)站平均工作阻力在23.3～26.19 MPa之間，上部測(cè)區(qū)各測(cè)點(diǎn)支架平均工作阻力在24.26～26.8 MPa之間。由此可見(jiàn)，整個(gè)回采期過(guò)程中液壓支架工作阻力中下部略大于其上部。當(dāng)來(lái)壓期間上部支架平均工作阻力在22.64～36.65 MPa之間，中部支架來(lái)壓期間支架平均工作阻力在26.17～37.28 MPa之間，下部支架來(lái)壓期間支架平均工作阻力為來(lái)壓期間支架平均工作阻力在27.63～34.62 MPa之間，由此可知，來(lái)壓期間下部及中部支架工作阻力明顯增大且大于上部支架工作阻力。

表1 各支架來(lái)壓判據(jù)計(jì)算

表2 工作面開(kāi)采期間動(dòng)載系數(shù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表2工作面開(kāi)采期間動(dòng)載系數(shù)統(tǒng)計(jì)可知，上部測(cè)站來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)波動(dòng)幅度較大，在1.71～2.78之間，平均為2.18，說(shuō)明工作面上部測(cè)區(qū)來(lái)壓強(qiáng)度較大，但來(lái)壓期間支架安全閥打開(kāi)較少，說(shuō)明工作面下部測(cè)區(qū)支架總體都在正常工作阻力范圍之內(nèi)工作；中部測(cè)站來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)波動(dòng)幅度較小，在1.67～2.10之間，最大為2.10，說(shuō)明工作面中部測(cè)區(qū)局部來(lái)壓強(qiáng)度較大，來(lái)壓期間少量支架安全閥打開(kāi)，所占比例達(dá)到3.15%，工作面回采期間應(yīng)提高支架初撐力和加強(qiáng)頂板的管理；下部測(cè)站動(dòng)載系數(shù)在1.51～1.81之間，平均為1.71，動(dòng)載系數(shù)較小，說(shuō)明工作面下部測(cè)區(qū)來(lái)壓強(qiáng)度比較小，工作面下部測(cè)區(qū)支架總體都在正常工作阻力范圍之內(nèi)工作。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)采用彈性力學(xué)理論把關(guān)鍵層初次破斷前的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為固支梁模型，周期來(lái)壓時(shí)巖梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算得出其初次來(lái)壓步距為27.7 m，周期來(lái)壓步距為10.17 m。

2) 通過(guò)對(duì)液壓之間1303(上)綜采工作面布置三個(gè)測(cè)站對(duì)液壓支架進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)，對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際初步來(lái)壓和周期來(lái)壓進(jìn)行計(jì)算可得與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。通過(guò)計(jì)算動(dòng)載系數(shù)可知工作面上部和中部測(cè)區(qū)來(lái)壓強(qiáng)度較大，下部測(cè)區(qū)來(lái)壓強(qiáng)度較大。