綜采采場(chǎng)頂板結(jié)構(gòu)模型及“支架-圍巖”關(guān)系研究

吳士良，劉思利，佟金婉，王建行，史晨昊，趙吉玉

(山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

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綜采采場(chǎng)頂板結(jié)構(gòu)模型及“支架-圍巖”關(guān)系研究

吳士良，劉思利，佟金婉，王建行，史晨昊，趙吉玉

(山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

摘要：以綜采采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律為核心，運(yùn)用“傳遞巖梁”理論對(duì)采場(chǎng)頂板運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行預(yù)計(jì)算，建立了采場(chǎng)頂板結(jié)構(gòu)模型，詳細(xì)分析了支架在“給定變形”和“限定變形”兩種工作狀態(tài)下支護(hù)強(qiáng)度和活柱縮量的計(jì)算確定方法。研究結(jié)果表明：直接頂由多分層組成時(shí)，具有不同運(yùn)動(dòng)組合特性的各分層垮落步距不同。將對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)有明顯影響的基本頂巖梁分為“單一巖梁”和“雙巖梁”結(jié)構(gòu)。采場(chǎng)頂板控制設(shè)計(jì)中對(duì)直接頂采用“給定載荷”的工作方式，根據(jù)不同的控頂要求對(duì)基本頂采用“給定變形”或“限定變形”的工作方式。在基本頂“雙巖梁”結(jié)構(gòu)下，既要防止下位巖梁運(yùn)動(dòng)時(shí)的切頂、活柱縮量超限等威脅，又要防止上位巖梁來(lái)壓時(shí)對(duì)采場(chǎng)的動(dòng)壓沖擊。

關(guān)鍵詞：綜采采場(chǎng)；傳遞巖梁；頂板結(jié)構(gòu)模型；支架-圍巖關(guān)系

長(zhǎng)期以來(lái)，煤礦頂板事故多發(fā)，嚴(yán)重影響煤礦安全高效生產(chǎn)。因此，頂板控制一直是采礦科學(xué)領(lǐng)域研究的核心問(wèn)題之一[1-2]。定量的頂板控制設(shè)計(jì)要求用具體數(shù)據(jù)來(lái)表達(dá)上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律。由于采場(chǎng)圍巖條件的復(fù)雜性，支架與圍巖相互關(guān)系是多種多樣的[3]。因此，需要根據(jù)具體的采場(chǎng)條件對(duì)頂板巖層運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，為頂板控制設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采場(chǎng)“支架-圍巖”關(guān)系是研究采場(chǎng)頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律的關(guān)鍵，是頂板控制理論選擇和指導(dǎo)工作面支架選型的依據(jù)[4-5]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)采場(chǎng)礦壓理論進(jìn)行了大量的研究工作，研究方法是多樣性、綜合性的，理論分析、數(shù)值模擬、相似模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法得到普遍應(yīng)用。最具代表性的礦壓理論為錢(qián)鳴高院士提出的“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型和宋振騏院士提出的“傳遞巖梁”結(jié)構(gòu)模型?！捌鲶w梁”理論研究了支架工作狀態(tài)與控頂效果的關(guān)系，認(rèn)為支架無(wú)法改變基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)變形，基本頂始終處于“給定變形”狀態(tài)[6-8]；“傳遞巖梁”理論分析了工作面頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，認(rèn)為支架對(duì)基本頂位態(tài)控制存在“給定變形”和“限定變形”兩種工作狀態(tài)[9-10]。本文主要運(yùn)用“傳遞巖梁”理論對(duì)綜采采場(chǎng)頂板運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行預(yù)計(jì)算，構(gòu)建清晰、量化的頂板結(jié)構(gòu)模型[11]，針對(duì)不同控頂要求，利用“位態(tài)方程”對(duì)基本頂“單一巖梁”或“雙巖梁”結(jié)構(gòu)進(jìn)行“給定變形”或“限定變形”的控制設(shè)計(jì)，以達(dá)到采場(chǎng)具有合理的支護(hù)強(qiáng)度和活柱下縮量不超限的要求。

1綜采采場(chǎng)頂板運(yùn)動(dòng)參數(shù)及頂板結(jié)構(gòu)模型

對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)有明顯影響的巖層范圍是有限的、可知的、可變化的和可控制的[12]。實(shí)踐證明，對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)有明顯影響的巖層包括“直接頂”和“基本頂”兩部分[13]。因此，針對(duì)某一具體采場(chǎng)而言，掌握直接頂和基本頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律，是正確進(jìn)行頂板控制設(shè)計(jì)的前提。

1.1直接頂運(yùn)動(dòng)參數(shù)

直接頂運(yùn)動(dòng)參數(shù)主要包括：直接頂厚度及其巖性、初次垮落步距、周期垮落步距及正常推進(jìn)階段直接頂懸頂距和懸頂系數(shù)等。

1.1.1直接頂厚度

1) 理論確定

(1)

其中：Mi—巖層厚度；h—開(kāi)采厚度；KA—巖層碎脹系數(shù)。

2) 實(shí)測(cè)確定

(2)

1.1.2直接頂初次垮落步距

1) 直接頂由單一巖層組成(圖1(a))。當(dāng)直接頂由單一巖層組成時(shí)，其初次垮落步距為

(3)

其中：L0Z—直接頂初次垮落步距；[σt]—直接頂巖層抗拉強(qiáng)度。

2) 直接頂由多個(gè)分層組成(圖1(b))。當(dāng)直接頂由多個(gè)分層組成時(shí)，需判斷組成直接頂?shù)母鞣謱舆\(yùn)動(dòng)組合關(guān)系，計(jì)算出具有不同運(yùn)動(dòng)特性的各分層垮落步距[14]。

相鄰巖層同時(shí)運(yùn)動(dòng)，則

(4)

相鄰巖層分開(kāi)運(yùn)動(dòng)，則

(5)

其中：ES—下位巖層彈性模量；EC—上位巖層彈性模量；MS—下位巖層厚度(硬巖層)；MC—上位巖層厚度(軟巖層)。

假設(shè)直接頂由M1、M2、M3和M4四個(gè)分層組成。其中M1和M2同時(shí)運(yùn)動(dòng)，M3和M4同時(shí)運(yùn)動(dòng)。則直接頂初次垮落時(shí)，呈分層垮落特性，其初次垮落步距分別為：

(6)

(7)

圖1　直接頂初次垮落示意圖

1.1.3直接頂周期垮落步距

直接頂周期垮落步距按懸臂梁計(jì)算：

(8)

其中：LZ—直接頂周期垮落步距。

1.1.4直接頂懸頂系數(shù)

就直接頂重量而言，如果其懸頂距為0，則其巖重全部作用在支架上；如果懸頂距大于0，此時(shí)支架切頂線后方的直接頂巖重將會(huì)以力矩形式作用在控頂區(qū)內(nèi)支架上，其作用力大于直接頂自身巖重。直接頂懸頂系數(shù)[9]計(jì)算公式為：

(9)

其中：LS—直接頂懸頂距；LK—工作面控頂距；S0—煤壁距支架合力作用點(diǎn)距離。

1.2基本頂運(yùn)動(dòng)參數(shù)

基本頂運(yùn)動(dòng)參數(shù)主要包括：基本頂厚度、初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距，其中來(lái)壓步距是最重要的參數(shù)。

1.2.1基本頂厚度

1) 理論確定

相鄰巖層同時(shí)運(yùn)動(dòng)(構(gòu)成同一巖梁)，則滿足式(4)；相鄰巖層分別運(yùn)動(dòng)(構(gòu)成不同巖梁)，則滿足式(5)。

2) 實(shí)測(cè)確定

基本頂為“單一巖梁”結(jié)構(gòu)，支架承載值與推進(jìn)步距間呈單一周期波動(dòng)曲線(圖2(a))；基本頂為“雙巖梁”結(jié)構(gòu)，支架承載值與推進(jìn)步距間呈大小周期波動(dòng)曲線(圖2(b))，小幅波動(dòng)代表下位巖梁斷裂來(lái)壓，大幅波動(dòng)代表上位巖梁斷裂來(lái)壓。

1.2.2基本頂初次來(lái)壓步距

1) 基本頂由“單一巖梁”構(gòu)成，且上覆無(wú)軟巖層(圖3(a))。此時(shí)基本頂初次來(lái)壓步距為

(10)

2) 基本頂由“單一巖梁”構(gòu)成，且上覆有軟巖層(圖3(b))。此時(shí)基本頂初次來(lái)壓步距為

(11)

其中：C0—基本頂初次來(lái)壓步距；ME—基本頂厚度；MC—軟巖層厚度；[σt]—基本頂巖層抗拉強(qiáng)度；γE—基本頂巖層容重。

圖2　基本頂不同巖梁結(jié)構(gòu)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

圖3　基本頂“單一巖梁”結(jié)構(gòu)

3) 基本頂由“雙巖梁”構(gòu)成。其組合可能有“下位巖梁-上位巖梁”、“下位巖梁-軟巖層-上位巖梁”、“下位巖梁-上位巖梁-軟巖層”和“下位巖梁-軟巖層-上位巖梁-軟巖層”四種類型，如圖4所示。根據(jù)巖梁上有無(wú)軟巖層作用，分別計(jì)算上、下位巖梁的初次來(lái)壓步距。

圖4　基本頂“雙巖梁”結(jié)構(gòu)組圖

1.2.3基本頂周期來(lái)壓步距

基本頂初次來(lái)壓結(jié)束后，基本頂巖梁可近似看成是懸臂梁。

1) 基本頂巖梁上無(wú)軟巖層，該巖梁的周期來(lái)壓步距為

(12)

2) 基本頂巖梁上有軟巖層，該巖梁的周期來(lái)壓步距為[15]：

(13)

1.3綜采采場(chǎng)頂板結(jié)構(gòu)模型

頂板運(yùn)動(dòng)是采場(chǎng)礦壓產(chǎn)生的根源。因此，摸清頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律是制定采場(chǎng)礦壓控制技術(shù)的依據(jù)，也是采場(chǎng)支架合理工作阻力確定的基礎(chǔ)工作，頂板結(jié)構(gòu)模型是采場(chǎng)頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律的直觀量化表現(xiàn)。下位巖梁-上位巖梁型“雙巖梁”結(jié)構(gòu)采場(chǎng)頂板結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5　“雙巖梁”結(jié)構(gòu)頂板結(jié)構(gòu)模型

2綜采采場(chǎng)“支架-圍巖”關(guān)系

采場(chǎng)“支架-圍巖”關(guān)系，包括支架對(duì)直接頂?shù)目刂品绞胶蛯?duì)基本頂?shù)目刂品绞降葍蓚€(gè)部分。其中，對(duì)直接頂只能采取“給定載荷”的控制方式，對(duì)基本頂可以采取“給定變形”或“限定變形”的控制方式。

2.1直接頂初次垮落期間

直接頂初次垮落時(shí)，必須按照最危險(xiǎn)狀態(tài)(直接頂沿煤壁處切斷)考慮，支架至少能承擔(dān)起直接頂初次垮落步距一半的重量。

(14)

其中：PT—支架工作阻力。

2.2基本頂初次來(lái)壓期間

(15)

(16)

其中：A—直接頂作用力；γZi—組成直接頂各分層的容重；MZi—組成直接頂各分層的厚度；fZi—組成直接頂各分層的懸頂系數(shù)；KT—巖重分配系數(shù)，受直接頂厚度與采高之比控制。

圖6　整體切斷頂板示意圖

對(duì)于可能整體切斷的巖層，由于頂板剪斷運(yùn)動(dòng)迅猛，采場(chǎng)將受到明顯的動(dòng)壓沖擊。此時(shí)，如果支架阻力不足，極易發(fā)生頂板沿煤壁切下的重大冒頂事故(圖6)。為此，支架工作阻力應(yīng)能防止頂板沿煤壁切斷，而把切斷線控制在控頂距之外。此時(shí)，支架支護(hù)強(qiáng)度和活柱下沉量應(yīng)滿足[16]：

(17)

(18)

其中：γK—整體切斷巖層的容重；MK—整體切斷巖層的厚度；LK—整體切斷巖層的切斷步距；ε—支架活柱的額定縮量。

2.3基本頂周期來(lái)壓期間

2.3.1支架在“給定變形”狀態(tài)下工作

當(dāng)支架在“給定變形”狀態(tài)下工作時(shí)，支架對(duì)頂板的運(yùn)動(dòng)不能起到阻止作用，來(lái)壓結(jié)束后，基本頂巖梁沉降至最終無(wú)阻礙沉降值ΔhA，采場(chǎng)頂板下沉量將達(dá)到最大值。

當(dāng)基本頂巖梁運(yùn)動(dòng)使采場(chǎng)最大頂板下沉量較小時(shí)，應(yīng)對(duì)基本頂巖梁采取“給定變形”的“讓壓”支護(hù)方案[17]。因?yàn)?，采用此工作狀態(tài)，所需支架支護(hù)強(qiáng)度最小。如果基本頂巖梁運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)ΔhA比較大，若對(duì)巖梁運(yùn)動(dòng)不加限制，采場(chǎng)支架會(huì)因活柱縮量超限而被壓死；在這種情況下，應(yīng)對(duì)巖梁運(yùn)動(dòng)采取“限定變形”的工作狀態(tài)，在既定支護(hù)強(qiáng)度下，使巖梁運(yùn)動(dòng)在采場(chǎng)的礦壓顯現(xiàn)不超過(guò)控頂要求的范圍。

此時(shí)，支架支護(hù)強(qiáng)度和活柱下沉量應(yīng)滿足：

(19)

(20)

其中ΔhA為基本頂巖梁最終無(wú)阻礙沉降值。

2.3.2支架在“限定變形”狀態(tài)下工作

當(dāng)支架在“限定變形”狀態(tài)下工作時(shí)，巖梁的位態(tài)受到支架工作阻力的限制，支架與頂板建立起力學(xué)平衡關(guān)系，來(lái)壓結(jié)束后，采場(chǎng)最終頂板下沉量為控制所要求的頂板下沉量Δhi。要保證頂板控制狀態(tài)良好，必須增大支架工作阻力，將Δhi控制在一個(gè)較小范圍內(nèi)[18]。

這個(gè)世界的人情之美，拳拳心意，應(yīng)該還有很好的“送魚(yú)帖”“送豆帖”“送瓜帖”……這些純美的心意書(shū)帖，寫(xiě)在過(guò)往的時(shí)空，或在路上，即將抵達(dá)，將一個(gè)季節(jié)的耕種與生長(zhǎng)，寫(xiě)在純美的宣紙上。

此時(shí)，支架支護(hù)強(qiáng)度和活柱下沉量應(yīng)滿足：

(21)

(22)

其中Δhi為控制所要求的頂板下沉量。

當(dāng)采場(chǎng)存在“雙巖梁”結(jié)構(gòu)，支架在“限定變形”狀態(tài)下工作時(shí)，除把采場(chǎng)最大頂板下沉量控制在允許縮量和工作空間要求的范圍內(nèi)，還應(yīng)使下位巖梁在上位高強(qiáng)度巖梁來(lái)壓前，在控制范圍內(nèi)與上位高強(qiáng)度巖梁間不產(chǎn)生離層，防止動(dòng)壓沖擊。

3實(shí)例分析

3.1基本頂“單一巖梁”控制設(shè)計(jì)

某綜采面煤層厚度2.0 m，直接頂為厚4.5 m的粉砂巖，基本頂為厚4.0 m的細(xì)砂巖，實(shí)測(cè)基本頂巖梁來(lái)壓步距12.0 m，來(lái)壓時(shí)無(wú)明顯動(dòng)壓沖擊。

所以，利用實(shí)測(cè)參數(shù)建立位態(tài)方程

因此，支護(hù)強(qiáng)度0.47 MPa能夠滿足采場(chǎng)的控頂要求。

3.2基本頂“雙巖梁”控制設(shè)計(jì)

某礦綜采面厚度2.0 m，直接頂為厚4.5 m的頁(yè)巖和粉砂巖，初次垮落步距15.0 m左右。基本頂包括兩個(gè)巖梁，第二巖梁比較堅(jiān)硬，來(lái)壓步距大，來(lái)壓時(shí)采場(chǎng)有明顯的動(dòng)壓沖擊。工作面控頂距為5.2 m，支架最大活柱縮量為400 mm。實(shí)測(cè)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　實(shí)測(cè)基本頂巖梁運(yùn)動(dòng)參數(shù)

1) 直接頂初次垮落期間

需要考慮直接頂初次垮落時(shí)切頂威脅，為此：

2) 防止基本頂?shù)诙r梁初次來(lái)壓時(shí)動(dòng)壓沖擊

減小第二巖梁初次來(lái)壓時(shí)動(dòng)壓沖擊關(guān)鍵是，盡可能保證來(lái)壓前夕第一巖梁與第二巖梁在控頂區(qū)范圍內(nèi)緊貼。為此：

第二巖梁初次來(lái)壓結(jié)束后頂板最大下沉量為：

由上述分析可知，初次來(lái)壓階段，支架支護(hù)強(qiáng)度為0.35 MPa時(shí)，最大活柱縮量為260 mm<ε=400 mm。因此，支架支護(hù)強(qiáng)度0.35 MPa，既能滿足防止動(dòng)壓沖擊，又能保證活柱下縮量不超限的要求。

3) 防止基本頂?shù)诙r梁周期來(lái)壓時(shí)動(dòng)壓沖擊

防止周期來(lái)壓時(shí)第二巖梁的動(dòng)壓沖擊，同樣需保證來(lái)壓前夕第一巖梁與第二巖梁在控頂區(qū)范圍內(nèi)緊貼。則

第二巖梁來(lái)壓結(jié)束時(shí)，相對(duì)于該支護(hù)強(qiáng)度下的最大頂板下沉量為：

此時(shí)，活柱縮量為495 mm，超過(guò)其允許限度400 mm。因此，必須提高支護(hù)強(qiáng)度，將頂板下沉量控制在ΔhT=ε=400 mm以內(nèi)，此時(shí)：

因此，支護(hù)強(qiáng)度0.52 MPa既能保證初次來(lái)壓期間和周期來(lái)壓期間采場(chǎng)不受基本頂?shù)诙r梁的動(dòng)壓沖擊，又能保證活柱縮量不超限的要求。

4結(jié)論

1) 構(gòu)成采場(chǎng)直接頂?shù)母鞣謱娱g運(yùn)動(dòng)組合特性不同，則其垮落步距不同，直接頂呈分層垮落特點(diǎn)。

2) 構(gòu)成采場(chǎng)基本頂分為“單一巖梁”和“雙巖梁”結(jié)構(gòu)，根據(jù)巖梁上方有無(wú)軟巖層作用，分為“下位巖梁-上位巖梁”、“下位巖梁-軟巖層-上位巖梁”、“下位巖梁-上位巖梁-軟巖層”和“下位巖梁-軟巖層-上位巖梁-軟巖層”四種類型。

3) 根據(jù)采場(chǎng)控頂要求的不同，支架對(duì)基本頂巖梁采取“給定變形”或“限定變形”的工作方式。當(dāng)采場(chǎng)上方存在高強(qiáng)度的上位巖梁時(shí)，必須采取“限定變形”的工作方式，減小動(dòng)壓沖擊。

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(責(zé)任編輯：呂海亮)

收稿日期：2015-11-24

作者簡(jiǎn)介：吳士良(1964—),男,江蘇宜興人,教授,博士,主要從事礦山壓力與巖層控制方面的研究. 劉思利(1991—),男,山東濟(jì)寧人,碩士研究生,主要從事礦山壓力與巖層控制方面的研究，本文通信作者.E-mail: liusili300@163.com

中圖分類號(hào)：TD323

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-3767(2016)04-0044-08

Study on Roof Structure Model and Support-surrounding Rock Relationship at Fully-mechanized Coal Mining Face

WU Shiliang, LIU Sili, TONG Jinwan, WANG Jianhang, SHI Chenhao, ZHAO Jiyu

(College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

Abstract:With overlying strata movement law at fully-mechanized coal mining face as the core, the roof movement parameters were predicated and calculated by using the “transferring beam” theory and a roof structure model of fully-mechanized coal mining face was established to analyze the calculation method of support strength and shrinkage under the working conditions of “given deformation” and “l(fā)imited deformation”. The results show that when the immediate roof is composed of multiple layers, the caving step distances of layers with different movement characteristics are different. The main roof, which had obvious influence on the stope pressure, was divided into “single rock beam” structure and “double rock beam” structure. The “given load” working method was adopted in the roof control design of immediate roofs and methods of “given deformation” or “l(fā)imited deformation” were used in main roof according to different control requirements. In the main roof with “double rock beam” structure, threats such as the overrun of cutting and live column shrinkage during the movement of lower rock beam as well as the dynamic impact on the stope when pressure came to the upper rock beam had to be prevented.

Key words:fully-mechanized coal mining face; transferring beam; roof structure model; support-surrounding rock relationship