大傾角大采高綜采工作面支架工作阻力分布特征研究＊

曲秋揚 毛德兵

（天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013）

近年來，隨著回采工藝和開采裝備的發(fā)展，大傾角大采高工作面逐漸增多。其中，支架的穩(wěn)定性成為實現(xiàn)該類工作面安全高效回采的關(guān)鍵，而合理確定支架的工作阻力是實現(xiàn)支架穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。

隨著工作面傾角的加大，尤其當(dāng)傾角超過自然安息角 （一般認為35°）時，頂板垮落矸石向工作面下端頭滾滑，形成采空區(qū)下部充實、中部部分充填、上部懸頂?shù)木置?。采空區(qū)充填的不一致性使得工作面支架工作阻力承受動靜載荷大小不同，沿工作面方向支架工作阻力分布具有異于緩傾斜工作面的特點。

1 工程背景

花山煤礦4238工作面為川煤集團攀枝花分公司首個大傾角大采高工作面。該工作面平均埋深530m，平均走向長度646m，平均傾斜長120m，平均傾角為39.5°，平均煤厚4.2 m，煤層賦存較為穩(wěn)定。煤層基本頂為細砂巖，厚度為9.2m，直接頂為泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖與粉砂巖互層，厚度為14m，直接底為泥質(zhì)粉砂巖和煤線層。

2 支架工作阻力分布特征

2.1 頂板破斷特征分析

在彈性力學(xué)中，薄板實際上是指中等厚度的板，其厚度t與板面最小尺寸min （a，b）之比大約在1／100～1／5之間。研究表明，當(dāng)巖板t／b≤1／3時 （t為巖板的厚度，b為巖板短邊長度，a 為巖板長邊長度），使用薄板理論方法計算。根據(jù)花山煤礦實際開采條件，直接頂隨采隨冒，基本頂滿足薄板理論使用條件。

對于頂板在初次來壓前，頂板的約束條件為四邊固支。對于四邊支承的板，當(dāng)其有兩個方向的跨度之比在1／2≤Lx／Ly≤2時，應(yīng)該考慮頂板走向和傾向的載荷，這樣的板通常稱為雙向板。根據(jù)工作面條件，將其作為雙向板考慮，即考慮走向破斷特征和傾向破斷特征。

由于大傾角的存在，將基本頂作為四邊固支的斜板模型，利用彈性力學(xué)相關(guān)理論進行計算，分析頂板初次垮落特征，沿工作面走向方向有：

工作面頂板沿傾斜方向發(fā)生破斷的范圍有：

式中：L——基本頂初次來壓垮落步距，m；

H ——對基本頂巖層變形作用的巖層厚度，取530m；

h1——基本頂巖層的厚度，取9.2m；

σt——基本頂巖層的極限抗拉強度，取4.8 MPa；

γ——基本頂巖層的容重，取27.2×104N／m3；

l10——巖板發(fā)生初次破斷時，斷裂位置距下端頭的距離，m；

l20——巖板發(fā)生初次破斷時，斷裂位置距上端頭的距離，m；

A——工作面長度，取120m；

k——雙向板破斷影響系數(shù)，與板厚寬比有關(guān)。

將各數(shù)據(jù)代入式 （1）和式 （2），計算得初次來壓垮落步距L 為45.05m，l10為29.32m，l20為21.48 m。即沿工作面傾斜方向在距下端頭29.32m和距離上端頭21.48m之間頂板巖層會發(fā)生斷裂。

根據(jù)理論分析可知，大傾角大采高工作面頂板破斷長度為69.2m （破斷部分的長度），僅占工作面全長的57.7%。對于工作面破斷范圍內(nèi)的支架，將承受直接頂?shù)撵o載荷及老頂回轉(zhuǎn)造成的動載荷，而兩端則以靜載荷為主，因此，支架工作阻力的分布特征應(yīng)具有 “中間大、兩端小”的特點。

2.2 工作阻力分布特征分析

根據(jù)大傾角大采高工作面頂板破斷特征，在頂板垮落范圍內(nèi)，支架同時承受支架上方直接頂靜載荷與老頂破斷回轉(zhuǎn)作用在支架上的動載荷，而在工作面上下兩端頭由于頂板未發(fā)生垮落，則下方支架以承受靜載荷為主，動載荷作用較小。

工作面頂板發(fā)生垮落的范圍內(nèi)，由于下部采空區(qū)充實，中上部充填不實，因此老頂回轉(zhuǎn)空間不一致致使動載荷大小不一。

工作面上部范圍內(nèi)，基本頂未發(fā)生破斷垮落，但由于臨近基本頂垮落，因此與相鄰上覆巖層發(fā)生錯動，造成該段基本頂及上覆巖層以裂隙帶形式存在，而不能形成承載機構(gòu)，因此該段覆巖主要以靜載荷的形式作用在下方支架上，且覆巖厚度與中部垮落帶厚度相差不大。該處支架工作阻力的確定：

工作面中部，基本頂發(fā)生破斷，支架承受直接頂靜載荷和老頂破斷回轉(zhuǎn)動載荷，因此動載系數(shù)較兩端大，該處支架工作阻力的確定：

工作面下部范圍內(nèi)，采空區(qū)充實，基本頂破斷回轉(zhuǎn)空間較小，動載荷較小，該段支架以承受靜載荷（同工作面上部類似）為主，動載系數(shù)較小，該處支架工作阻力的確定：

式中：P上、P中、P下——支架工作阻力，kN；

h上、h中、h下——工作面垮落帶高度，m；

“一點活計也沒有，我穿這一件短衫，再沒有替換的，連買幾尺布的錢也攢不下，十天一交費用，那就是一塊五角。又老，眼睛又花，縫得也慢，從沒人領(lǐng)我到家里去縫。一個月的飯錢還是欠著，我住得年頭多了！若是新來，那就非被趕出去不可?！彼咭粭l橫道又說：“新來的一個張婆，她有病都被趕走了?！?/p>

γ——頂板容重，取2.72×l04N／m3；

l——頂梁長度，取4.5m；

b——頂梁寬度，取1.75m；kd上、kd中、kd下——動載系數(shù)，分別為1.5，1.7，1.4；

α——工作面傾角，取39.5°。

根據(jù)式 （3）～式 （5）可知，大傾角工作面支架的工作阻力與其頂板垮落高度成正相關(guān)，為研究該類條件下工作面頂板垮落高度，利用三維數(shù)值模擬軟件建立三維模型，并開挖至見方，使其頂板充分破斷。模擬結(jié)果說明，工作面下端頭頂板以拉伸破壞為主，工作面中部和上部頂板以剪切破壞為主，沿工作面方向頂板垮落高度為25m。

因此，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，利用理論公式進行計算，可得大傾角工作面各段支架的工作阻力值：P上=6185.1kN，P中=7009.7kN，P下=5772.7 kN。

3 工程實踐

花山煤礦4238工作面依據(jù)上述工作阻力確定方法，選取工作面中部最大工作阻力，并賦予1.2的安全系數(shù)，確定支架的工作阻力為8600kN，選ZY8600／26／56液壓支架，支架初撐力6414kN。

利用礦壓監(jiān)測系統(tǒng)對全工作面所有支架進行實時監(jiān)測，分析傾斜方向支架工作阻力的分布特征及支架適應(yīng)性。工作面測站具體布置見圖1。

圖1 礦壓觀測站布置示意圖

對工作面初次來壓時所有支架的觀測數(shù)據(jù)進行整理統(tǒng)計，可得到沿工作面方向分區(qū)特征及各區(qū)段支架的平均工作阻力，具體情況見圖2。

圖2 大傾角工作面初次來壓區(qū)域性劃分圖

由圖2可以看出：

（1）工作面支架工作阻力具有明顯分區(qū)特性，而且具有 “中間大、兩端小”的特點。最大平均來壓強度為7143.4kN，同理論計算的7009.7kN（P中）較為接近。下端頭支架工作阻力大于上端頭支架工作阻力，同理論計算出入較大，這是由于下端頭排頭架工作面支架處于過渡段，傾角變小，頂板垂直作用于支架工作阻力增加，出現(xiàn)下端頭平均來壓強度增大的特點。

（2）工作面下部區(qū)段分布范圍為1＃～23＃支架，長度范圍為40.25m，大于理論計算的頂板未破斷范圍29.38m，說明其他區(qū)域被矸石充實，所以支架來壓強度小；上部分布范圍為52?！?7＃支架，長度范圍為26.25m，與理論計算值21.42m相差4.83m，較為接近。

（3）支架來壓最大工作阻力在8500kN 左右，說明確定支架額定工作阻力8600kN 較為合理，能夠滿足工作面安全生產(chǎn)需求。工作面支架阻力確定合理，說明對支架分布特征研究的正確性，同時驗證了數(shù)值模擬的可靠性。

4 結(jié)論

（1）利用彈性力學(xué)薄板理論分析了大傾角大采高工作面頂板破斷規(guī)律，得到頂部分別距離下端頭29.32m、21.48m 發(fā)生破斷，從理論上解釋了工作面支架工作阻力呈現(xiàn) “中間大、兩端小”的特點。

（2）理論分析大傾角工作面兩端頂板未破斷區(qū)和中部頂板破斷區(qū)支架工作阻力分布特征，利用數(shù)值模擬分析大傾角大采高工作面頂板垮落高度，并利用估算法確定大傾角大采高工作面最大工作阻力值為7009.7kN。

（3）通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析，得到工作面支架工作阻力具有明顯分區(qū)特點，且具有 “中間大、兩端小”的特點，下端頭支架較大是由于工作面處于過渡段，工作面傾角變小，頂板垂直作用力增大；分區(qū)范圍同理論計算較為接近；支架工作阻力確定合理，適應(yīng)性較好，且實測平均來壓強度與理論計算十分接近，說明結(jié)合數(shù)值模擬進行理論計算確定大傾角大采高工作面支架的工作阻力具有可靠性。

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