葛鋪礦14－1103綜采面老頂來壓步距預(yù)測及實踐

王金龍

（山西焦煤集團投資有限公司 正利煤業(yè)，山西 呂梁030053）

1 工作面概況

14－1103綜采工作面為正利煤業(yè)葛鋪煤礦一采區(qū)綜采工作面，位于14－1101綜采工作面以西，一采區(qū)軌道上山以南，南鄰礦界，東西皆為未開采的實體煤，工作面煤層標高為642.8～717.7m，低于奧灰水靜止水位標高，屬于帶壓開采。14－1103工作面煤層整體呈單斜構(gòu)造，走向近南北，傾向東，傾角6°～10°，平均傾角8°，工作面走向長度2212.7m，傾斜長度180m，煤層厚度平均為3.04m。在工作面的回采區(qū)域范圍內(nèi)，煤層沿走向存在波浪起伏變化，煤層頂?shù)装宥酁樯百|(zhì)泥巖、粉砂巖、細粒砂巖或泥巖，頂板巖石較完整，煤層易片幫，頂板易冒落。煤層綜合柱狀見圖1。

工作面支護情況：本工作面選用支撐掩護式電液控液壓支架，工作面切眼長180m，工作面開采之初布置130臺支架：其中軌道順槽布置8臺ZTC10000／18／38型超前支架，工作面布置6架ZZ6000／18／38D型過渡支架，115架ZZ6000／18／38D型中間架，1組 ZT12000／18／38型過渡支架，膠帶順槽布置8架ZTC10000／18／38型超前支架。

圖1 煤層綜合柱狀

2 老頂力學(xué)模型建立

在煤炭開采過程中，采場直接頂隨著工作面的推進發(fā)生冒落，老頂逐漸懸空并在其上覆巖層的載重作用下發(fā)生彎曲變形。當工作面的推進距離達到老頂?shù)臉O限時，老頂巖梁發(fā)生斷裂。老頂梁式斷裂，可采用材料力學(xué)方法求得。

老頂在初次垮落時，老頂巖梁兩端都固支在煤壁中，相當于固支梁，其受力分析見圖2。

圖2 巖梁上任意點的應(yīng)力分析

3 老頂垮落時極限跨距力學(xué)分析

3.1 老頂初次垮落極限跨距

已知梁內(nèi)任意點的正應(yīng)力б為：

式中：M為該點所在端面的彎矩；y為該點離端面中性軸的距離；JZ為對稱中性軸的端面矩。

當бmax＝RT時，即巖層在該處的正應(yīng)力達到該處的抗拉強度極限，巖層將在該處拉裂。為此，這種梁斷裂時的極限跨度為：

固定梁，考慮彎矩、正應(yīng)力。

若以最大剪應(yīng)力作為巖層斷裂依據(jù)，最大剪切力發(fā)生在梁的兩端，。因此，最大剪切應(yīng)力

當（τxy）max達到極限強度Rs時，形成的極限垮落距為：

固定梁，考慮剪切破壞

當бmax＝Rr時，梁達到極限跨距LlT：

簡支梁，考慮彎矩、正應(yīng)力

顯然，在相同條件下，由簡支梁計算所得的極限跨距LlT要比由固定梁計算所得的小。由于彎矩形成的極限垮落距LlT要比剪切應(yīng)力形成的極限跨距LlS小，因此常常按彎矩來計算極限跨距。

3.2 老頂周期來壓懸臂梁式斷裂時的極限跨距

已有的研究中，對于老頂?shù)闹芷趤韷?，老頂巖梁一端固支在煤壁中，而另一端通常已經(jīng)發(fā)生斷裂，處于懸空狀態(tài)，故老頂周期來壓步距常常是按照懸臂梁式折斷來確定。

3.3 14－1103綜采工作面頂板來壓步距推算

老頂在初次垮落時，老頂巖梁兩端都固支在煤壁中，相當于固支梁，根據(jù)材料力學(xué)，采用兩端固支固定梁，考慮彎矩產(chǎn)生的正應(yīng)力使得老頂拉伸破壞，對采場初次來壓步距的計算結(jié)果為

而老頂周期來壓時，老頂巖梁一端固支，另一端大多懸空，采用一端固支懸臂梁，考慮彎矩產(chǎn)生的正應(yīng)力使得老頂拉伸破壞，對采場周期來壓步距的計算結(jié)果為因此：

14－1103工作面頂板巖層巖性多為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細粒砂巖或泥巖，其頂板巖層情況見圖1。根據(jù)14－1103綜采工作面頂板巖性，其老頂厚度h＝5.15m。由關(guān)鍵層理論可知：老頂載荷約等于其自身載重與其控制范圍內(nèi)的巖層載重之和，根據(jù)工作面頂板情況可知老頂上方厚度為4.71m的泥巖在其控制范圍內(nèi)，取巖層平均體積力為：γ＝0.025MPa，則老頂載荷為q＝0.025×（5.15＋4.17）＝0.24MPa；RT＝4MPa，代入式（1－6）可估算14－1103工作面初次來壓步距為29.73m，由式（1－7）可推算14－1103綜采工作面周期來壓步距12.80m。

4 現(xiàn)場實踐

4.1 初次來壓觀測

通過現(xiàn)場觀察，從2月5號的夜班開始，工作面從40＃架至70＃煤壁開始出現(xiàn)嚴重片幫，片幫高度1～1.5m左右，6＃夜班40＃架至機尾段工作面煤壁出現(xiàn)嚴重片幫、滾幫，滾幫煤高度1.5m以上。通過對支架壓力表數(shù)字的觀察，支架壓力讀數(shù)增大，超過前期觀測數(shù)據(jù)，工作面平均壓力在25MPa以上，采空區(qū)聽到頂板垮塌的聲音。

從2月7日夜班開始，工作面中部架段立柱安全閥出現(xiàn)開啟，支架壓力平均在30MPa以上。到早上交接班時，工作面從50＃支架到機尾段支架立柱安全閥多出現(xiàn)開啟、卸液，且多呈現(xiàn)噴霧狀，支架的平均壓力在32MPa左右，支架最大壓力達到35MPa；同時工作面出現(xiàn)不同程度的煤壁片幫，其中70＃號支架左右煤壁片幫嚴重；在90?！?00＃支架段，支架前梁頂板出現(xiàn)脫層，工作面煤壁片幫段響聲大，采空區(qū)無大量涌水。

7日夜班開始生產(chǎn)過程中工作面支架壓力明顯比接班時降低，且煤壁的片幫程度開始降低。通過觀察，采空區(qū)頂板除機尾和機頭幾個架未垮落外，其他均已垮落嚴實。截止7日早班接班，工作面機頭推進24.8m，機尾推進至30.9m，平均推進27.9m，共計回采35刀。

通過現(xiàn)場觀察，結(jié)合工作面礦壓顯現(xiàn)情況，確定工作面老頂于2月7日夜班初次來壓，老頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗉s為28m，初次來壓持續(xù)時間3天，平均壓力為32MPa，最大壓力為35MPa。

4.2 技術(shù)措施

根據(jù)計算結(jié)果與現(xiàn)場觀測，在工作面周期來壓時，提前做好準備：

（1）提前合理增加支架工數(shù)量，支架工要緊跟采煤機前滾筒拉架，采取隔一架拉一架。

（2）采煤機司機要嚴格控制好采煤機的割煤速度，根據(jù)工作面頂板及煤壁情況，及時的調(diào)整采煤機的割煤速度；必須控制好工作面頂?shù)装?，沿頂割煤，嚴禁留頂煤?/p>

（3）充分發(fā)揮護幫板的作用，提前收回護幫板及滯后采煤機打出護幫板的次數(shù)，護幫板必須緊貼煤壁，采煤機滾筒割過煤后，要追機作業(yè)打出護幫板。

（4）采煤機割煤作業(yè)時只準超前前滾筒3架將護幫板收回，煤壁片幫嚴重處只準超前一架收回護幫板。

（5）采煤機割通煤壁返機推溜之后，及時移架控頂。在頂板破碎段必須帶壓擦頂移架。

（6）加強工作面工程質(zhì)量管理，確保工作面煤壁、支架和刮板輸送機都保持直線，防止壓力局部集中造成片幫、冒頂。

（7）對液壓系統(tǒng)進行檢修和維護，工作面液壓支架要保證達到規(guī)定的初撐力，支架不漏液、不竄液、不卸液自降，支架升起后要升平、升緊。保證老頂來壓期間，不出現(xiàn)故障，實現(xiàn)快速推進。

（8）加強工作面上、下端頭管理，嚴格按照作業(yè)規(guī)程的規(guī)定進行上下端頭的維護。

（9）上下順槽超前支護，在周期來壓前期密切關(guān)注支護情況，超前維護要有專人負責(zé)，作業(yè)時，二人配合作業(yè)，其中必須有一名經(jīng)驗的老工人負責(zé)安全工作。作業(yè)前，必須進行敲幫問頂，確認無問題后方可作業(yè)。

5 結(jié)語

本文通過建立老頂力學(xué)模型，對14－1103綜采工作面老頂初次來壓步距和周期來壓步距進行了分析和計算，主要得出了如下結(jié)論。

1）通過力學(xué)分析，認為老頂初次垮落和老頂周期性垮落的主要區(qū)別在于：老頂初次垮落時，老頂巖梁兩端均固支在煤壁中，老頂?shù)某醮慰迓鋺?yīng)采用兩端固支梁進行分析；老頂周期來壓時，老頂巖梁一端固支在煤壁中，而另一端一般處于懸空狀態(tài)，故應(yīng)采用一端固支另一端簡支梁進行分析。

2）通過力學(xué)求解，利用老頂初次來壓步距和周期來壓步距計算公式，對正利煤業(yè)14－1103綜采工作面老頂初次來壓步距和周期來壓步距進行計算，計算結(jié)果表明：14－1103綜采工作面老頂初次來壓步距約為29.73m，老頂周期來壓步距約為12.13m。

3）對14－1103綜采工作面礦壓現(xiàn)象進行現(xiàn)場觀測和理論計算相結(jié)合的方法，得出老頂初次來壓步距和周期來壓步距，對頂板管理有指導(dǎo)意義。

〔1〕王作棠，錢鳴高 .老頂初次來壓步距的計算預(yù)測法〔J〕.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，1989，18（2）：9－17.

〔2〕戴興國，錢鳴高 .極限分析與老頂初次來壓步距計算〔J〕.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，1993，22（1）：17－23.

〔3〕錢鳴高，朱德仁，王作棠 .老頂巖層斷裂形式及對工作面來壓的影響〔J〕.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，1986，15（2）：9－17.

〔4〕錢鳴高，石平五 .礦山壓力與巖層控制〔M〕.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社.

〔5〕李保仁 .榆陽煤礦2301綜采面初采期間頂板管理 .中國會議，2011，11.15.