童應山，王森，張連東，王永安，李培煊，李帥

摘要：延安子長礦區(qū)極薄煤層分布廣泛，因賦存煤炭為稀缺配焦煤，回采價值較高，但該礦區(qū)未有過開采極薄煤層的先例，開采過程中面臨支架選型不合理的問題，且國內(nèi)在該方面的研究成果較少，因此，以禾草溝二號煤礦極薄煤層綜采工作面為背景，通過數(shù)值模擬、理論分析等研究了極薄煤層綜采工作面頂板覆巖結(jié)構(gòu)破斷特征及其演化過程，建立了采場頂板巖梁斷裂前后力學解析模型，獲得了極薄煤層綜采工作面直接頂周期破斷距，確定了合理支架工作阻力。結(jié)果表明：極薄煤層工作面開采初期頂板垮落后會較快的對上覆巖層形成支撐，至頂板極限跨距后，直接頂與基本頂周期破斷，且基本頂破斷位置位于直接頂破斷線前方，兩者間存在離層空間，共同回轉(zhuǎn)下沉；工作面液壓支架主要受直接頂回轉(zhuǎn)載荷作用，其作用載荷為3 980.89 kN，確定支架選型為ZZ4000/6.5/13D四柱支撐掩護式液壓支架；現(xiàn)場應用后，可以有效發(fā)揮支架支護性能，滿足采場圍巖控制要求。研究成果為國內(nèi)極薄煤層開采工作面支架選型提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：極薄煤層；綜采工作面；頂板結(jié)構(gòu)演化；支架-圍巖作用；支架工作阻力

中圖分類號：TD 353文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2024）01-0064-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0107開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Determination of support working resistance? ?in the working face of extremely-thin coal seam based on overburden fracture characteristics

TONG Yingshan1，WANG Sen1，ZHANG Liandong2，WANG Yongan2，LI Peixuan3，LI Shuai4

（1.Yanan Checun Coal Industry（Group）Co.，Ltd.，Yanan? 717300，China；2.Yan an Hecaogou No.2 Coal Mine Co.，Ltd.，Yanan 717300，China；3.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；4.College of? Energy Science and Engineering， Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：Extremely thin coal seam is widely distributed in Zichang mining area of Yanan.The coal is scarce in China with coking coal，and the recovery value is high;however，the mining area has no precedent of mining extremely-thin coal seam，and the problem of unreasonable support selection is faced in the mining process，and there are few research results in this aspect in China，so the mining face of extremely-thin coal seam in Hecaogou No.2 coal mine was taken as the research object，the fracture characteristics and evolution process of roof overburden structure of fully-mechanized mining face in extremely thin coal seam were analyzed by means of numerical simulation and theoretical analysis，and the mechanical analysis model before and after the fracture of roof rock beam was established.And a direct roof periodic fracture distance of fully mechanized mining face in extremely thin coal seam was obtained，with the reasonable working resistance of support? determined.The results show that the overlying rock could be supported quickly after the roof caving in the early mining stage of the very thin coal seam face;after reaching the limit span of the roof，the direct top and basic top break periodically，and the basic top break position is in front of the direct top break line;there is a separation space between them，and they turn and sink together.The hydraulic support of the working face is mainly affected by the direct top rotating load;its working load is 3 980.89 kN，and the support selection is determined to be ZZ4000/6.5/13D four-column support and cover hydraulic support.By on-site testing，the? support performance can be effectively utilized to meet the surrounding rock control requirements of the stope.The research results provide a certain reference for the support selection of? the mining face of extremely-thin coal seam in China.

Key words：extremely-thin coal seam；fully-mechanized mining face；roof structure evolution；support-surrounding rock interaction；support working resistance

0引言

中國極薄煤層儲量豐富，約占煤炭可采總儲量的19%。近年來，隨著中厚煤層資源的減少和一些礦井開采順序的發(fā)展，部分礦井為延長礦井服務年限及保證礦井生產(chǎn)能力均衡，提高煤炭資源采出率，薄煤層開采日漸受到重視[1]。薄煤層因工作面采高有限，人員活動區(qū)域小，作業(yè)環(huán)境惡劣，亟需提升極薄煤層綜合機械化開采水平，從而降低工作面作業(yè)勞動強度。極薄煤層工作面因其煤層厚度較小，垮落覆巖極易對上覆巖層形成及時支撐，工作面支架選型有別于常規(guī)中厚煤層工作面。因此，掌握覆巖結(jié)構(gòu)演化特征，進行支架工作阻力計算，合理選擇液壓支架，對保障極薄煤層安全開采尤為重要。

在采場覆巖運移演化方面，國內(nèi)外學者已開展大量研究。申斌學等研究了溝壑地貌下綜放開采覆巖破斷特征，溝壑地貌下因地表不均勻載荷易與采動應力相互影響，導致工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈[2]；楊俊哲等針對8.8 m支架超大采高工作面，研究了覆巖破斷結(jié)構(gòu)，提出超大采高工作面“切落體+擠壓平衡拱”結(jié)構(gòu)模型[3]；婁金福針對長壁開采工作面覆巖運移破斷與采動應力演化的耦合作用過程，闡釋了厚硬巖層對于宏觀應力場演化的影響機制，認為覆巖破斷表現(xiàn)為梁拱二元結(jié)構(gòu)，其對覆巖運移破斷及采場礦壓顯現(xiàn)影響顯著[4-5]。在薄煤層工作面礦壓規(guī)律研究方面，張磊等分析了錨索受力及圍巖變形情況，發(fā)現(xiàn)薄煤層切頂成巷無煤柱開采巷道變形和支護結(jié)構(gòu)受力均表現(xiàn)出明顯的階段性特征，均呈現(xiàn)“緩慢—快速—緩慢—穩(wěn)定”的變化趨勢，頂板在工作面后方108 m趨于穩(wěn)定[6]；趙兵以某礦薄煤層綜采工作面為工程背景，檢測了工作面液壓支架工作阻力及巷道圍巖變形情況，發(fā)現(xiàn)薄煤層工作面初次來壓步距為19 m，周期來壓步距為6.87 m，來壓情況明顯，超前段影響范圍為0～18 m[7]；龔強以蘇村煤礦薄煤層綜采工作面為背景，分析了安全開采問題，確定了合理液壓支架型號并分析了其優(yōu)缺點[8]。

對于支架工作阻力計算方法主要有數(shù)理統(tǒng)計法[9]、Welson估算法[10]、經(jīng)驗公式法[8]、“砌體梁”法[1]、“傳遞巖梁”法[11]等，但是，因極薄煤層覆巖結(jié)構(gòu)破壞特征的特別性，這些方法難以準確確定支架合理工作阻力。對于圍巖-支架相互作用關(guān)系，學者們也作出較多探索[12-14]。李揚等研究了工作阻力計算方法，建立了散體給定-砌體梁式模型，并開發(fā)了支架載荷評價系統(tǒng)[15]；吳鋒鋒等構(gòu)建了該開采條件下支架與圍巖相互作用關(guān)系力學模型，推導出支架工作阻力計算公式，指導了該開采條件下支架的合理選型，并進行了現(xiàn)場試驗，所選支架滿足現(xiàn)場頂板控制要求[16]；王家臣等在充分考慮節(jié)理、裂隙對煤巖體性質(zhì)影響基礎(chǔ)上，對大采高采場頂板運移破斷特征進行了研究，以能量守恒原理為基礎(chǔ)分析了頂板載荷確定方法[17-19]；婁金福等針對大采高綜采工作面易片幫問題，建立了“頂板—煤壁—支架”采場結(jié)構(gòu)力學模型，給出了基于片幫控制的合理支架工作阻力確定方法[20-22]；張可斌等依據(jù)支架圍巖關(guān)系調(diào)壓試驗曲線，從定性定量2方面研究了圍巖與支架相互作用關(guān)系，并依據(jù)支架圍巖雙曲線關(guān)系力學模型，給出了支架控制覆巖運動的合理工作阻力方法[23-25]；郭玉峰等用UDEC數(shù)值模擬軟件分析了綜放工作面不同推進距離下覆巖運移規(guī)律及頂板破斷特征，對比了目前幾種常用支架工作阻力計算方法的優(yōu)缺點及實用性，并根據(jù)實際工況條件完成了液壓支架的選型[26]。

現(xiàn)有研究主要針對厚煤層覆巖破壞特征及其支架工作阻力，在薄或極薄煤層方面涉及較少?；诤滩轀隙柮旱V極薄煤層工作面，采用理論分析與數(shù)值模擬方法研究了極薄煤層工作面開采覆巖破斷特征及其演化過程，構(gòu)建極薄煤層覆巖破斷力學模型，分析該開采條件下支架與圍巖相互作用關(guān)系，推導出一種極薄煤層開采支架工作阻力計算方法，并根據(jù)計算結(jié)果對工作面液壓支架進行了選型。

1工程背景

子長縣禾草溝二號煤礦位于陜北黃土高原中部，面積12.117 9 km2。主采3號煤層，煤層厚068～0.9 m，平均0.79 m，為極薄煤層，煤層平均埋深105.72 m，煤層頂板巖性以砂巖為主，如圖1所示。礦井采用切頂留巷無煤柱開采技術(shù)進行回采，工作面面寬120 m。

2極薄煤層開采覆巖破斷特征

2.1數(shù)值模型的建立與模擬方案

根據(jù)禾草溝二號煤礦綜合地質(zhì)柱狀圖及生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立離散元數(shù)值模型，模型X方向長290 m，Z方向高93 m，模擬底板高度21.5 m，煤層厚度0.8 m。模型底部固支，四周采用位移約束，上部為自由邊界。上部松散層按照γH轉(zhuǎn)化為外載荷2.5 MPa施加在模型頂部。

巖層節(jié)理簡化為水平與垂直節(jié)理，節(jié)理采用面接觸庫倫滑移模型，模型塊體采用Mohr-Coulomb強度準則，將物理性質(zhì)相近的巖層合并簡化處理，根據(jù)禾草溝二礦煤層賦存條件，巖層物理力學參數(shù)見表1。

根據(jù)工作面傾向長度120 m，為模擬達到充分采動階段，模擬推進長度120 m。模擬計算過程為：數(shù)值模型建立—初始地應力計算平衡—工作面回采（采高0.8 m，開挖步距10 m）—開挖計算平衡—工作面回采結(jié)束。

2.2覆巖運移破斷規(guī)律

工作面推進不同距離下覆巖破斷特征如圖2所示。工作面回采初期，工作面回采10 m時，覆巖頂板垮落呈梯形，垮落高度2.5 m，隨著工作面的繼續(xù)推進，工作面回采20 m時，新回采工作面再次形成梯形垮落，垮落高度與工作面回采10 m時一致，在兩垮落巖體之間形成倒三角形未垮落巖塊，倒三角形巖塊兩側(cè)搭接在垮落巖體上，對上覆巖體形成支撐。隨著工作面的向前回采，由回采20～50 m時，覆巖隨工作面推進呈周期性垮落，垮落巖體均呈梯形，在相鄰垮落巖體間覆巖呈倒三角形支承上覆巖層。隨著工作面的向前推進，覆巖逐漸彎曲下沉，且彎曲下沉范圍逐漸升高。當工作面推進60 m時，覆巖形成砌體梁結(jié)構(gòu)，破斷巖塊靠近后方采空區(qū)處搭接在垮落巖體上，另一端在煤壁處破斷，破斷巖塊厚度為2.5 m，與之前垮落巖體高度一致；隨著工作面的繼續(xù)推進，直接頂泥質(zhì)粉砂巖與基本頂細粒砂巖周期破斷垮落，其中直接頂破斷塊在工作面推進至70，80，90，100 m時，長度為6，10，9，8 m，基本頂破斷巖塊長度分別為12，16，14，14 m。相比于直接頂巖塊，基本頂巖塊斷裂位置位于直接頂巖塊前端，其后端由垮落巖塊承擔。

2.3采場頂板破斷演化特征

為研究工作面回采后頂板覆巖結(jié)構(gòu)破斷演化過程，通過控制計算時步，以獲得不同計算時步下工作面覆巖破斷運移狀態(tài)。根據(jù)上文可知，回采60 m后，隨著繼續(xù)開挖，工作面覆巖呈周期性垮落，覆巖垮落規(guī)律基本一致，因此，以工作面回采100 m時為例，通過對比分析不同計算時步下覆巖頂板破斷特征分析采場頂板破斷演化規(guī)律。根據(jù)模擬可知，工作面回采至100 m時，計算40 000步時采場頂板穩(wěn)定，取每間隔8 000計算時步下覆巖破斷運移狀態(tài)進行對比分析，如圖3所示。

工作面自90 m回采至100 m時，計算0步下，破斷塊B1、B2呈平行四邊形，塊B1后端O1點落于煤層底板，前端A1點與工作面頂板巖層相鉸接；塊B2后端O2落于采空區(qū)后方已垮落直接頂巖層上，前端與基本頂下部鉸接于A2點。計算至8 000步時，塊B′1沿O1點回轉(zhuǎn)變形形成塊B1，相比于塊B′1，塊B1大小無變化，其內(nèi)部裂隙壓密；塊B2在上覆巖層移動載荷作用下，塊體移動垮落，塊體內(nèi)裂隙閉合。當繼續(xù)計算至16 000步時，隨著直接頂巖層與基本頂巖層的協(xié)同下沉運移，直接頂巖層在工作面前方煤壁處斷裂，并與之前斷裂巖層相接，塊體B1后端O1點位置不變，前端鉸接點A1移動至煤壁處。塊體B2破壞變形與直接頂一致，前端在工作面處斷裂，前端點A2向工作面處移動，由于直接頂沿一定垮落角斷裂，因此基本頂巖層斷裂位置位于煤壁后方，距煤壁水平距離3 m；塊B2后端由于覆巖的運移，后端O2點向前方移動，其后部破斷至垮落巖體上。計算至24 000步時，塊體B1、B2繼續(xù)在覆巖運移載荷作用下回轉(zhuǎn)下沉，塊體前端斷裂鉸接位置不變，后端由于接觸至煤層底板，O1、O2端點均向前移動，當計算至32 000步時，基本頂塊B2與B2重合，基本頂穩(wěn)定，而B1塊后端O1點繼續(xù)向前方移動；當計算至40 000步時，塊B1與B′1重合，B2與B′2重合，此時頂板覆巖運移破斷穩(wěn)定。

3極薄煤層工作面礦壓顯現(xiàn)機理

根據(jù)極薄煤層開采覆巖破斷結(jié)構(gòu)特征研究結(jié)果可知，在工作面回采初期，采空區(qū)垮落矸石對頂板具有明顯的支撐作用。在此階段，工作面覆巖較為穩(wěn)定，支架主要受直接頂載荷作用，而當工作面基本頂垮落后，工作面頂板呈周期性垮落，此階段支架主要受頂板覆巖破斷結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)載荷作用，礦壓顯現(xiàn)明顯。因此，不考慮回采初期充填矸石作用，主要以工作面周期來壓期間覆巖結(jié)構(gòu)為對象，對工作面礦壓顯現(xiàn)機理進行研究。

3.1極薄煤層采場頂板結(jié)構(gòu)演化過程

根據(jù)模擬極薄煤層覆巖破斷過程可知，工作面回采后，直接頂與基本頂巖層斷裂基本同步，基本頂斷裂位置位于直接頂斷裂位置前方處，直接頂與基本頂破斷巖梁共同回轉(zhuǎn)下沉，形成雙拱結(jié)構(gòu)。斷裂過程如圖4所示，且有以下特點。

1）隨著工作面的推進，直接頂巖層在其重力及上一次基本頂周期垮落形成的砌體塊B2作用下彎曲下沉，當懸頂達到極限跨距時，直接頂最大拉應力達到其抗拉強度，直接頂巖梁A1斷裂并沿斷裂點回轉(zhuǎn)下沉，如圖4（a）所示。

2）直接頂破斷后，隨著直接頂?shù)幕剞D(zhuǎn)下沉，上方基本頂A2隨之發(fā)生破斷，其破斷位置位于直接頂斷裂線前方處。

3）直接頂在自重及基本頂垮落巖塊作用下破斷時對采場產(chǎn)生一次沖擊作用，基本頂斷裂時，其破斷載荷作用于工作面前方煤體。

4）頂板巖梁斷裂后，直接頂與基本頂均形成鉸接結(jié)構(gòu)，其中直接頂前端作用于工作面支架，后端與上一次破斷直接頂間豎向裂隙壓密，上一次破斷直接頂巖塊后端落于工作面底板，兩次破斷巖塊共同回轉(zhuǎn)下沉，基本頂破斷后與直接頂破斷形式一致，與上一次破斷基本頂巖塊共同回轉(zhuǎn)下沉，如圖4（b）所示。

5）直接頂巖梁B1斷裂后，其后端未觸底板前，處于回轉(zhuǎn)下沉狀態(tài)，直接頂破斷巖塊B1與上一次破斷直接頂C1形成的不穩(wěn)定鉸接巖梁自重作用于支架上，此階段采場壓力最大。在此過程中，基本頂巖塊主要對工作面前方煤體作用。因此，在此過程中基本頂對采場支架壓力影響較小。

6）當直接頂破斷巖塊B1后端觸底后，基本頂破斷巖塊B2隨后亦觸矸，此時形成“巖-矸”結(jié)構(gòu)，直接頂破斷巖塊B1末端作用于采空區(qū)底板，基本頂破斷巖塊B2末端作用于直接頂垮落矸石，采場頂板形成“雙拱結(jié)構(gòu)”，如圖4（c）所示。

3.2采場圍巖-支架作用機理

通過對頂板巖梁斷裂演化分析可知，頂板破裂過程中主要可分為2個階段，頂板巖梁破斷前及破斷后，頂板巖梁破斷前支架主要承擔直接頂與基本頂巖梁懸臂自重作用及破斷基本頂回轉(zhuǎn)作用力，巖梁破斷后支架主要承擔直接頂本次破斷巖塊及上一次破斷巖塊共同形成的巖梁回轉(zhuǎn)作用力。因此，對采場圍巖-支架作用機理分析主要針對這2個階段研究。

3.2.1頂板巖梁破斷前

直接頂斷裂前，采場頂板巖梁力學簡化模型如圖5所示。

對于基本頂巖梁B2，作用于支點D2，基本處于平衡狀態(tài)，令∑MD2=0，則

F′2=GE2cos θ2（1）

根據(jù)幾何關(guān)系

GE2=MEγECE（2）

θ=arcsinSACE（3）

SA=h+MZ（1-KA）（4）

式中GE1為基本頂重力，kN；F′2與F2為直接頂與基本頂相互作用力，kN；ME為基本頂厚度，m；CE為基本頂周期破斷步距，m；MZ為直接頂厚度，m；CZ為直接頂破斷步距，m；LK為支架有效控頂距，m；SA為基本頂末端最大下沉量，m；h為煤層厚度，m；KA為巖石碎脹系數(shù)；θ為作用力F′2與垂向夾角，（°）；γE為基本頂巖層容重，kN/m3。

將式（2）（3）（4）代入式（1），計算得

F′2=MEγECEcos θ2=F2（5）

對于直接頂巖梁B1，作用于支點D1，處于平衡狀態(tài)，令∑MD1=0，則

F′1=GZ2cos β2（6）

根據(jù)幾何關(guān)系

GZ2=MzγzCz（7）

β=arcsinhCZ（8）

將式（7）（8）代入式（6），計算得

F′1=MZγZCZcos β2=F1（9）

直接頂巖梁受力情況如圖6所示。

直接頂巖梁從上端部O點處開始斷裂，其力學條件是

σ=[σt]（10）

式中σ為梁端斷裂處實際拉應力，其大小為作用于該處的應力之差，即

σ=σt-σp（11）

式中σt為O點處產(chǎn)生的拉應力，MPa；σp為在O點處產(chǎn)生的壓應力，MPa。

O點處由巖梁彎曲產(chǎn)生拉應力，故有

σt=MO/WO（12）

式中MO為O處的彎矩，N·m；WO為梁端截面模量，mm3。

MO=MGZ1+MF2V+MF2L+MF1V+MF1L+Mp=GZ1CZ2+F2VCZ+F2LMZ2+F1VCZ+F1LMZ2+F0MK2=MZγZC2Z2+MEγECEcos2θ2CZ-MEγECEsin θcos θ2 MZ2+MZγZCZcos2β2CZ-MZγZCZsin βcos β2 MZ2-F0LK2（13）

WO=M2Z6（14）

將式（13）式（14）代入式（12）得

σt=3MEγECEcos2θCZ-F0LKM2Z+

8γZC2Z-γZh2-MEγECEsin 2θ4MZ -

hγZC2Z-h22CZ（15）

σp由直接頂巖梁B1與基本頂巖梁B2壓力應力分量F1L、F2L造成，σp為

σp=F1L+F2LMZ=γZCZsin 2β4+MEγECEsin 2θ4MZ（16）

將式（15）式（16）代入式（11）得到O點處實際拉應力為

σ=

3γZC2ZMZ+MEγECECZcos2θM2Z-2MEγECEsin θcos θMZ+

3γZC2Zcos2βMZ-2γZCZsin βcos β-3F0LKM2Z（17）

令σ=[σt]，即可求得直接頂斷裂步距CZ。

3.2.2頂板巖梁破斷后

當直接頂巖梁斷裂后，基本頂巖梁在直接頂斷裂位置前方處斷裂，前端作用于工作面前方煤壁，由于極薄煤層開采空間小，直接頂垮落巖體因碎脹特性膨脹后，基本頂巖層破斷后回轉(zhuǎn)角度較小，因此直接頂巖梁破斷后工作面支架主要支承直接頂破斷巖梁載荷。采場頂板巖梁結(jié)構(gòu)可簡化為圖7所示力學模型。

若要支架能夠控制住直接頂，則支架對直接頂?shù)淖饔昧0應能夠維持住直接頂?shù)幕酒胶?，即破斷頂板巖梁作用力FN=F0。

由于∑MA=0，則

F0LK2=GZCZ2+F1VCZ（18）

得

F0=GZCZ+2F1VCZLK

=MZγZC2Z+MZγZC2Zsin βcos βLK（19）

所以工作面面長方向每延米直接頂作用力為

FN=FZ=MZγZC2Z（1+sin βcos β）LK（20）

3.3禾草溝二號煤礦采場頂板壓力計算

禾草溝二號煤礦極薄煤層工作面頂板參數(shù)為煤層厚度h=0.8 m，MZ=8.7 m，ME=6.5 m，CE=15 m，γZ=25.52 kN/m3，γE=25.55 kN/m3，LK=5 m，KA=1.07，[σt]=1.48 MPa，F(xiàn)0=3 000/1.5=2 000 kN（支架寬度1.5 m）。

將上述參數(shù)代入式（17），計算得直接頂斷裂步距CZ=9.13 m，與數(shù)值模擬結(jié)果6～10 m相近。

由式（20）計算頂板巖梁破斷后沿工作面傾向每延米頂板壓力為FN=2 653.93 kN。此時每個支架上方頂板壓力為P=1.5×FN=3 980.89 kN。

4現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證

基于以上理論計算、數(shù)值模擬分析，禾草溝二號煤礦1123極薄煤層綜采工作面支架合理工作阻力取4 000 kN，工作面液壓支架采用ZZ4000/6.5/13D四柱支撐掩護式液壓支架。

1123工作面回采期間，礦壓實測表明，工作面不同地段周期來壓步距8～12 m，與數(shù)值模擬結(jié)果12～14 m結(jié)果基本一致。

工作面回采期間，通過對支架工作阻力進行監(jiān)測，統(tǒng)計液壓支架工作阻力分布情況，見表2。從表2可以看出，監(jiān)測數(shù)據(jù)的8.72%分布在0～2 000 kN，31.12%分布在2 000～3 000 kN，5370%分布在3 000～4 000 kN，6.46%分布在4 000 kN以上。支架工作阻力主要分布在2 000～4 000 kN。

統(tǒng)計工作面各支架時間加權(quán)工作阻力如圖8所示，各觀測支架時間加權(quán)阻力為1 945～3 653 kN，占額定工作阻力的48.62%～91.33%，充分發(fā)揮了支架的支護性能，沒有超過支架的最大工作阻力。在此列出工作面兩端10號支架、70號支架及工作面中部30號支架、50號支架工作阻力實測曲線，如圖9所示。

綜上分析，工作面回采期間，工作面支架工作阻力主要分布在2 000～4 000 kN，時間加權(quán)阻力占額定工作阻力的48.62%～91.33%，支架安全閥開啟率在6.46%，有效發(fā)揮了支架的支護性能，對于回采過程未產(chǎn)生較大影響，礦井選用的ZZ4000/6.5/13D四柱支撐掩護式液壓支架滿足采場圍巖控制要求。

5結(jié)論

1）淺埋極薄煤層回采下，因埋深與開采厚度較小，在工作面開采初期，頂板垮落高度較小，且在垮落巖體碎脹作用下對上覆巖層形成支撐，未垮落巖層逐漸彎曲下沉，當工作面開采至一定距離時，采空區(qū)垮落巖體逐漸壓實，覆巖在工作面前方開始周期破斷，直接頂與基本頂巖層形成鉸接結(jié)構(gòu)。數(shù)值模擬結(jié)果12～14 m與實測周期來壓步距8～12 m基本一致。

2）分析了極薄煤層工作面頂板周期破斷采場頂板巖梁破斷演化過程，極薄煤層工作面回采條件下，由于開采厚度較小，直接頂巖梁厚度旋轉(zhuǎn)下沉空間有限，巖梁破斷后形成鉸接結(jié)構(gòu)，基本頂巖梁在直接頂巖梁前方破斷，兩者破斷后共同回轉(zhuǎn)下沉，且?guī)r層間形成離層，基本頂破斷巖塊在工作面后方垮落穩(wěn)定直接頂上觸矸，在此過程中，支架主要受破斷直接頂載荷作用。

3）根據(jù)采場頂板巖梁破斷演化過程，建立了采場頂板力學模型，分析計算了極薄煤層采場頂板破斷下直接頂破斷步距及頂板壓力，極薄煤層工作面回采下支架主要受頂板破斷后破斷巖梁彎曲下沉載荷作用，確定直接頂周期破斷距為9.13 m，支架受頂板壓力為3 980.89 kN。

4）根據(jù)極薄煤層采場頂板力學模型支架壓力計算結(jié)果，確定禾草溝二號煤礦支架額定工作阻力為4 000 kN，選用ZZ4000/6.5/13D四柱支撐掩護式液壓支架?；诂F(xiàn)場礦壓監(jiān)測，工作面支架工作阻力主要分布在2 000～4 000 kN，時間加權(quán)阻力占額定工作阻力的48.62%～9133%，支架安全閥開啟率為6.46%，有效發(fā)揮了支架支護性能，滿足采場圍巖控制要求。

參考文獻（References）：

[1]錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1984.

[2]申斌學，朱磊，朱德福，等.溝壑地貌下綜放開采覆巖破斷特征研究[J].煤炭工程，2021，53（7）：1-6.

SHEN Binxue，ZHU Lei，ZHU Defu，et al.Failure cha-racteristics of overlying strata in fully mechanized caving under gully landforms[J].Coal Engineering，2021，53（7）：1-6.

[3]楊俊哲，劉前進，徐剛，等.8.8 m支架超大采高工作面礦壓規(guī)律及覆巖破斷結(jié)構(gòu)研究[J].采礦與安全工程學報，2021，38（4）：655-665.

YANG Junzhe，LIU Qianjin，XU Gang，et al.Strata behavior regularity and overlying strata broken structure of super large mining-height working face with 8.8 m support[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2021，38（4）：655-665.

[4]婁金福.采場覆巖破斷與應力演化的梁拱二元結(jié)構(gòu)及巖層特性影響機制[J].采礦與安全工程學報，2021，38（4）：678-686.

LOU Jinfu.Influence mechanism of beam-arch binary structure and strata characteristics on fracture and stress evolution of overlying strata in stope[J].Journal of Mi-ning & Safety Engineering，2021，38（4）：678-686.

[5]錢鳴高.采場上覆巖層巖體結(jié)構(gòu)模型及其應用[J].中國礦業(yè)大學學報，1982，11（2）：6-16.

QIAN Minggao．A structural model of overlying strata in longwall workings and its application[J].Journal of China University of Mining & Technology，1982，11（2）：6-16．

[6]張磊，李偉東，汪義龍，等.薄煤層半煤巖巷道切頂成巷礦壓規(guī)律研究及應用[J].煤炭工程，2022，54（10）：104-108.

ZHANG Lei，LI Weidong，WANG Yilong，et al.Research and application of mining pressure law in coal-rock drift retained by roof cutting in thin coal seam[J].Coal Engineering，2022，54（10）：104-108.

[7]趙兵.緩傾斜薄煤層綜采工作面礦壓顯現(xiàn)邏輯分析[J].能源與節(jié)能，2023（3）：69-72.

ZHAO Bing.Logical analysis of mine pressure in fully mechanized mining face of gently inclined thin coal seam[J].Energy and Energy Conservation，2023（3）：69-72.

[8]龔強.蘇村煤礦薄煤層開采液壓支架的應用[J].能源技術(shù)與管理，2023，48（1）：68-70.

GONG Qiang.Application of hydraulic support in thin coal seam mining in Sucun coal mine[J].Energy Technology and Management，2023，48（1）：68-70.

[9]李龍清，荊寧川，蘇普正，等.大采高綜采支架工作阻力綜合分析與確定[J].西安科技大學學報，2008，28（2）：254-258.

LI Longqing，JING Ningchuan，SU Puzheng，et al.Analysis of high seam mining shield working resistance[J].Journal of Xian University of Science and Technology，2008，28（2）：254-258.

[10]張寅，趙毅，李皓. 綜采工作面回撤巷強礦壓顯現(xiàn)機理及控制技術(shù)[J].煤田地質(zhì)與勘探，2021，49（2）：110-116.

ZHANG Yin，ZHAO Yi，LI Hao.Mechanism and control of strong ground pressure in fully mechanized mining face[J].Coal Geology & Exploration，2021，49（2）：110-116.

[11]宋振騏.實用礦山壓力控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1998.

[12]高峰，錢鳴高，繆協(xié)興，等.采場支架工作阻力與頂板下沉量類雙曲線關(guān)系的探討[J].巖石力學與工程學報，1999，18（6）：658-662.

GAO Feng，QIAN Minggao，LIAO Xiexing，et al.Discussion on the hyperbolic relation between support resis-tance and immediate roof subisdence[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1999，18（6）：658-662.

[13]閆少宏.綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與支架-圍巖關(guān)系新認識[J].煤炭科學技術(shù)，2013，41（9）：96-99.

YAN Shaohong.New consideration of mine strata pressure behavior law and relationship between hydraulic powered support and surrounding rock in fully-mechanized top coal caving mining[J].Coal Science and Technology，2013，41（9）：96-99．

[14]黃慶享，董博，陳蘇社.淺埋特大采高工作面礦壓規(guī)律及支護阻力確定[J].采礦與安全工程學報，2016，33（5）：840-844.

HUANG Qingxiang，DONG Bo，CHEN Sushe.Determination of roof pressure law and support resistance in the mining face with super-large mining height in approximate shallow coal seam[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2016，33（5）：840-844.

[15]李楊，任玉琦，李鐵崢，等.近距離煤層群協(xié)調(diào)開采支架工作阻力計算方法與系統(tǒng)[J].煤炭科學技術(shù)，2023，51（7）：268-277.

LI Yang，REN Yuqi，LI Tiezheng，et al.Calculation and system of support resistance of shield for contugous-multiple coal seams with coordinated mining[J].Coal Science and Technology，2023，51（7）：268-277.

[16]吳鋒鋒，岳鑫，劉長友，等.急傾斜特厚煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)演化特征及支架工作阻力計算[J].采礦與安全工程學報，2022，39（3）：499-506.

WU Fengfeng，YUE Xin，LIU Changyou，et al.Movement law of overburden in steep inclined ultra thick seam and calculation of support working resistance[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2022，39（3）：499-506.

[17]王家臣，楊勝利，楊寶貴，等.深井超長工作面基本頂分區(qū)破斷模型與支架阻力分布特征[J].煤炭學報，2019，44（1）：54-63.

WANG Jiachen，YANG Shengli，YANG Baogui，et al.Roof sub-regional fracturing and support resistance distribution in deep longwall face with ultra-large length[J].Journal of China Coal Society，2019，44（1）：54-63.

[18]孔德中，楊勝利，高林，等.基于煤壁穩(wěn)定性控制的大采高工作面支架工作阻力確定[J].煤炭學報，2017，42（3）：590-596.

KONG Dezhong，YANG Shengli，GAO Lin，et al.Determination of support capacity based on coal face stability control[J].Journal of China Coal Society，2017，42（3）：590-596.

[19]黃慶享，賀雁鵬，李鋒，等.淺埋薄基巖大采高工作面頂板破斷特征和來壓規(guī)律[J].西安科技大學學報，2019，39（5）：737-744.

HUANG Qingxiang，HE Yanpeng，LI Feng，et al.Site measurement on roof fracture and weighting feature in large mining height face in shallowly-buried thin bedrock coal mining[J].Journal of Xian University of Science and Technology，2019，39（5）：737-744.

[20]婁金福，康紅普，高富強，等.基于“頂板-煤壁-支架”綜合評價的大采高支架工作阻力研究[J].煤炭學報，2017，42（11）：2808-2816.

LOU Jinfu，KANG Hongpu，GAO Fuqiang，et al.Determination of large-height support resistance based on multi-factor analysis[J].Journal of China Coal Society，2017，42（11）：2808-2816.

[21]黃慶享，徐璟，杜君武.淺埋煤層大采高工作面支架合理初撐力確定[J].采礦與安全工程學報，2019，36（3）：491-496.

HUANG Qingxiang，XU Jing，DU Junwu.Determination of support setting load of large-mining-height longwall face in shallow coal seam[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2019，36（3）：491-496.

[22]張宏偉，周坤友，榮海，等.淺埋深大采高工作面礦壓顯現(xiàn)及支架適應性研究[J].煤炭科學技術(shù)，2017，45（4）：20-25.

ZHANG Hongwei，ZHOU Kunyou，RONG Hai，et al.Study on mine strata behaviors and powered support suitability of high cutting coal mining face with shallow mining depth[J].Coal Science and Technology，2017，45（4）：20-25.

[23]張可斌，錢鳴高，鄭朋強，等.采場支架圍巖關(guān)系研究及支架合理額定工作阻力確定[J].采礦與安全工程學報，2020，37（2）：215-223.

ZHANG Kebin，QIAN Minggao，ZHENG Pengqiang，et al.Relationship between support and surrounding rocks and determination of reasonable rated working resistance against support[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2020，37（2）：215-223.

[24]徐剛，張震，楊俊哲，等.8.8 m超大采高工作面支架與圍巖相互作用關(guān)系[J].煤炭學報，2022，47（4）：1462-1472.

XU Gang，ZHANG Zhen，YANG Junzhe，et al.Interaction between support and surrounding rock in 8.8 m super mining height working face[J].Journal of China Coal Society，2022，47（4）：1462-1472.

[25]周凱，李明瑞，焦素娟.基于耦合動力學模型的圍巖-支架相互作用分析[J].煤炭學報，2015，40（11）：2534-2539.

ZHOU Kai，LI Mingrui，JIAO Sujuan.Analysis of interaction between hydraulic support and its surrounding rock based on dynamics coupling model[J].Journal of China Coal Society，2015，40（11）：2534-2539.

[26]郭玉峰，浦仕江，付巍，等.綜放仰采工作面覆巖移動規(guī)律及支架工作阻力確定[J].工礦自動化，2021，47（3）：89-94，100.

GUO Yufeng，PU Shijiang，F(xiàn)U Wei，et al.Movement law of overburden in upward fully mechanized working face and determination of support working resistance[J].Industry and Mine Automation，2021，47（3）：89-94，100.

（責任編輯：劉潔）