回采工作面過舊空區(qū)支架-圍巖關(guān)系研究

畢太平

（山西晉能煤銷臨汾公司，山西臨汾 041000）

回采工作面過舊空區(qū)支架-圍巖關(guān)系研究

畢太平

（山西晉能煤銷臨汾公司，山西臨汾 041000）

以回采工作面過舊空區(qū)為背景，采用理論分析方法，建立了支架失穩(wěn)時(shí)工作阻力計(jì)算模型，對基本頂巖層破斷特征及過舊空區(qū)時(shí)支架工作阻力進(jìn)行研究。研究表明：回采工作面向舊空區(qū)推進(jìn)時(shí)易在舊空區(qū)上方基本頂巖層處發(fā)生超前斷裂，形成巨大塊體B；巖塊B既有滑落失穩(wěn)又有回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)。因此，在計(jì)算支架工作阻力時(shí)必須考慮兩種失穩(wěn)對支架的載荷，得到支架工作阻力計(jì)算公式。

工作面過舊空區(qū)；支架-圍巖關(guān)系；工作阻力計(jì)算

上世紀(jì)山西等地鄉(xiāng)鎮(zhèn)小煤礦廣泛分布，受裝備水平與開采技術(shù)等限制，大多數(shù)礦井采用刀柱式采煤法進(jìn)行開采，資源回收率低，被列為落后的技術(shù)，刀柱開采破壞了煤層的完整性。現(xiàn)階段開采過程中，回采工作面不可避免遇到采空區(qū)，通常解決方法是留下隔離煤柱，縮短工作面長度避開采空區(qū)，這樣導(dǎo)致回采率降低，縮短工作面的同時(shí)延誤了推進(jìn)速度，降低了工作面生產(chǎn)效率。如果能直接通過采空區(qū)，可提高資源回收率，對實(shí)現(xiàn)煤炭資源的可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。為保證回采的安全高效，需要解決工作面過舊空區(qū)時(shí)圍巖破斷規(guī)律及支架圍巖關(guān)系等技術(shù)難題。以前有過類似的研究[1-2]，但是對工作面通過舊空區(qū)（10～15 m）時(shí)工作面支架與圍巖關(guān)系的研究未見報(bào)道。

本文以回采工作面過舊空區(qū)為工程背景，對建立的冒頂區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)受力模型、舊空區(qū)頂板斷裂運(yùn)移規(guī)律、應(yīng)力分布特征和支架-圍巖關(guān)系進(jìn)行分析研究，為回采工作面過舊空區(qū)提供理論依據(jù)。

1 回采工作面過舊空區(qū)基本頂破斷特征

回采工作面過舊空區(qū)(冒頂區(qū))過程中，基本頂破斷特征，見圖1。隨著工作面推進(jìn)，工作面與舊空區(qū)之間的煤柱寬度逐漸減小，在超前支承壓力作用下較窄的煤柱破碎、失穩(wěn)，而舊空區(qū)內(nèi)冒落煤巖體對上方頂板支撐作用較小甚至空頂，進(jìn)而基本頂?shù)目枕旈L度突然增加。加之，舊空區(qū)頂板巖層斷裂高度較大，直接頂以及部分基本頂堅(jiān)硬巖層被切斷，其效果相當(dāng)于頂板采取切縫措施[3]，礦山壓力通過懸臂梁傳遞效果受到削弱，極易在冒頂區(qū)上方提前斷裂，形成超長巖塊B，同時(shí)基本頂大面積垮落失穩(wěn)。由于基本頂不能保持自身穩(wěn)定，在工作面過舊空區(qū)過程中，巖塊B極易失穩(wěn)，引起舊空區(qū)及工作面頂板急劇下沉，礦山壓力顯現(xiàn)劇烈。

巖塊B的主要失穩(wěn)形式有滑落失穩(wěn)和轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)[4]。因而，實(shí)現(xiàn)工作面安全過舊空區(qū)的基本條件是舊空區(qū)內(nèi)煤巖垮落體及工作面支架的支撐反力能夠防止巖塊發(fā)生滑落失穩(wěn)或轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)，同時(shí)，對舊空區(qū)兩幫提供有效支護(hù)，防止兩幫煤體片幫。

根據(jù)對舊空區(qū)基本頂破斷特征分析，巖塊B是工作面能否安全通過的關(guān)鍵塊體，針對舊空區(qū)圍巖力學(xué)特征作以下簡化：a.巖塊A、B、C形成鉸接結(jié)構(gòu)，巖塊B長度近似為頂板周期來壓步距。b.巖塊B之上的軟弱巖層無承載能力，可視為作用于其上的均布載荷q。c.塊體A對塊體B的水平推力和垂直剪力分別為TA、QA，作用點(diǎn)均為塊體B的旋轉(zhuǎn)軸的中點(diǎn)。d.工作面推至舊空區(qū)，計(jì)算上覆載荷作用時(shí)考慮超前支承壓力的集中效應(yīng)。e.塊體C對塊體B的水平推力和垂直剪力分別為TC，QC；f.舊空區(qū)垮落煤巖的支撐作用及工作面支架支護(hù)阻力通過直接頂對巖塊B作用。根據(jù)舊空區(qū)基本頂破斷特征及上述簡化建立舊空區(qū)上方基本頂結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，見圖2。L為巖塊B長度即周期來壓步距，m；q為巖塊B及其上部軟弱巖層單位長度的自重，MN/m；Ta，QA，TC，QC為巖塊B在其兩端所受水平推力、剪力作用。

為防止塊體B發(fā)生滑落失穩(wěn)，必須滿足與塊體A之間摩擦力大于剪切力，即TAtanφ≥QA，其中tanφ是兩巖塊間摩擦系數(shù)，取0.2。

為防止塊體B發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)，必須滿足與塊體A之間擠壓應(yīng)力小于抗壓強(qiáng)度，即TA/a≤ησ，其中TA/a是接觸面上平均擠壓應(yīng)力，σ是巖塊極限抗壓強(qiáng)度，MPa；η是針對巖塊轉(zhuǎn)角處特殊受力條件而取得修正系數(shù)，取0.3[5]。

當(dāng)工作面推至舊空區(qū)時(shí)，工作面一側(cè)煤柱在回采作用下寬度變窄失去核區(qū)承載能力迅速下降，剩余的窄煤柱以崩塌或蠕變狀態(tài)潰屈；煤柱失去承載能力后，整個(gè)支架-圍巖系統(tǒng)應(yīng)力重新分布。受頂板切斷影響，礦山壓力不能通過懸臂梁傳遞，支架上方大面積巖層作為荷載作用在支架上，工作面支架承受載荷大且有基本頂突然斷裂時(shí)帶來沖擊載荷影響，此時(shí)工作面處于最危險(xiǎn)狀態(tài)，舊空區(qū)頂板關(guān)鍵塊B的受力狀態(tài)，見圖3。

當(dāng)工作面推進(jìn)至舊空區(qū)時(shí)，即d=0，此時(shí)，塊體A與C對塊體B的水平推力TA、TC以及垂直剪力QA、QC，采空區(qū)已冒矸石對塊體B的作用Fd，直接頂、支架對塊體B的作用力F0，塊體B上覆載荷q，塊體B自重Fzj對關(guān)鍵塊體B的旋轉(zhuǎn)軸EF所產(chǎn)生的力矩分別為：

L為基本頂沿工作面推進(jìn)方向的斷裂長度，可以根據(jù)式（3）計(jì)算得到：

根據(jù)力的平衡原理法對塊體B進(jìn)行分析得：

L1為基本頂側(cè)向斷裂長度，可由式（2）計(jì)算：

a為塊體A，C與塊體B的接觸點(diǎn)位置，可以由式(4)計(jì)算得：

C塊對B塊的推力Tc可以根據(jù)式（5）得：

直接頂對關(guān)鍵塊體B的作用力F0可以由式（7）計(jì)算得：

采空區(qū)冒落矸石的壓縮量gx可以根據(jù)式（6）計(jì)算得到：

由以上各式得：

2 過舊空區(qū)時(shí)支架受力狀況分析

工作面正?；夭蛇^程中，支架受力包括：直接頂載荷；基本頂通過直接頂作用于支架的載荷。復(fù)采工作面過冒頂區(qū)時(shí)，支架受力較為復(fù)雜，由直接頂全部重量、由于基本頂巖層結(jié)構(gòu)中巖塊失穩(wěn)而產(chǎn)生的載荷組成。

基本頂發(fā)生滑落失穩(wěn)時(shí)的支架工作阻力計(jì)算圖，見圖4，公式為：

式中：P為液壓支架工作阻力，kN/m2；∑h為直接頂和頂煤的厚度，m；γ為直接頂和頂煤的平均容重，kN/m3；L為老頂周期垮落步距，m；φ為老頂巖塊間摩擦角，°；α為直接頂巖層破斷角，°；S1為關(guān)鍵塊B的下沉量，m；R為控頂距，m；Q為工作面頂板上方裂隙帶下位巖層中暴露巖塊的全部重量，kN。

發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)時(shí)，位于直接頂上方的堅(jiān)硬巖層巖塊B的破斷仍屬于規(guī)則垮落，但巖層的斷裂步距超過控頂距，出現(xiàn)一定距離的懸頂；舊空區(qū)上方的平衡拱拱角一端在舊空區(qū)前方一側(cè)煤柱上另一端在支架上方，考慮到冒落后的碎脹矸石可能對此斷裂巖塊產(chǎn)生一定的支承力，見圖5支架受力圖。

考慮冒落矸石的支承力Rg作用，支架只承擔(dān)Q的一部分，故支架受力為：

式中：n為載荷系數(shù)，與直接頂厚度有關(guān)，一般取0.25～0.5，當(dāng)∑h=0時(shí)，n=1；h為巖塊厚度，m；L為巖塊長度，m。

一般周期來壓時(shí)，基本頂大部分情況下發(fā)生滑落失穩(wěn)，只在工作面前方有斷層或應(yīng)力狀態(tài)改變時(shí)才發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)。工作面前方存在舊空區(qū)，則老頂?shù)臄嗔研问?，見圖1，工作面會(huì)出現(xiàn)兩次來壓，第一次是正常的周期來壓，巖塊B為滑落失穩(wěn)；第二次是由于舊空區(qū)上方老頂在超前支承壓力的作用下，導(dǎo)致巖塊A的斷裂，造成支架上方老頂巖塊B的回轉(zhuǎn)下沉，即巖塊B既有滑落失穩(wěn)又有回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)。因此，在計(jì)算支架工作阻力時(shí)必須考慮上面的兩種失穩(wěn)形式，可按下面的公式計(jì)算：

其中，有關(guān)參數(shù)的確定不能按工作面正常推進(jìn)時(shí)考慮。

3 結(jié)論

1）工作面向舊空區(qū)推進(jìn)過程中，煤柱提供的支撐力逐漸弱化加之礦山壓力通過懸臂梁傳遞效果受到削弱，基本頂巖層極易在舊空區(qū)上方提前斷裂，形成超長巖塊B。

2）斷裂形成后，巖塊B的主要失穩(wěn)形式有滑落失穩(wěn)和轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)。

3）回采工作面過舊空區(qū)時(shí)，支架受力較為復(fù)雜，由直接頂全部重量、由于基本頂巖層結(jié)構(gòu)中巖塊失穩(wěn)而產(chǎn)生的載荷組成。

[1]柏建彪，侯朝炯.冒頂區(qū)頂板穩(wěn)定性原理及支護(hù)技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2005，30(1)：8-11.

[2]翟新獻(xiàn)，錢鳴高，李化敏，等.小煤礦復(fù)采煤柱塑性區(qū)特征及采準(zhǔn)巷道支護(hù)技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(24):3799-3802.

[3]劉正和，趙陽升，弓培林，等.回采巷道頂板大深度切縫后煤柱應(yīng)力分布特征[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(1)：18-23.

[4]李紅濤，劉長友，汪理全.上位直接頂“散體拱”結(jié)構(gòu)的形成及失穩(wěn)演化[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008，33(4)：378-381.

[5]張自政，柏建彪，韓志婷，等.冒頂區(qū)頂板穩(wěn)定性力學(xué)分析及充填技術(shù)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2013，30(2)：194-198.

Relation of Support and Surrounding Rock When Mining Face Passing Old Empty Area

BI Taiping
(Linfen Branch，Shanxi Coal Transportation and Sales Group，Jinneng Group，Linfen 041000，China)

A working resistance calculation model，when support loses stability，was established by theoretical analysis.The fracture characteristics of main roof strata and the working resistance of support were studied.The results showed that the mining face was liable to fracture in advance when it passed the main roof of the old empty area and formed huge block B.The rock B could lose stability by sliding or by rotary deformation.Therefore，the load on the support in two instability situations must be taken into consideration to obtain the calculation formula of the working resistance.

working face passing old empty area;relation of support and surrounding rock;working resistance calculation

TD323

A

1672-5050（2015）02-0032-01

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.011

（編輯：武曉平）

2015-01-21

畢太平（1967-），男，山西臨猗人，大學(xué)本科，工程師，從事煤礦生產(chǎn)與管理工作。