基于煤礦薄基巖下支架工作阻力確定及規(guī)律分析

張 宏

（陽煤集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

在我國(guó)西北地區(qū)，尤其是內(nèi)蒙、新疆地區(qū)的煤礦，其煤層平均深度淺，煤炭?jī)?chǔ)量巨大，開采方式簡(jiǎn)單，其中大部分現(xiàn)有煤礦由于其松軟破碎的覆巖結(jié)構(gòu)，使其極容易露天開采，但其中也存在一些埋藏深度較深的礦區(qū)，由于其表層的薄基巖結(jié)構(gòu)，給井下工作面回采造成了一定的困難，這些松軟的薄基巖結(jié)構(gòu)極容易受工作面采動(dòng)的影響造成大面積的垮落，發(fā)生工作面壓架、潰沙事故，并直接影響地表巖層，造成大面積塌陷坑等[1]。

1 布爾臺(tái)煤礦22625工作面覆巖賦存狀況

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)22625工作面機(jī)械運(yùn)輸平巷頂板上覆基巖厚度變化明顯，從切眼到1 725m長(zhǎng)的巷道中，頂板基巖厚度由最初的45m線性變化為9m；在接下來的1 725～1 852m長(zhǎng)度范圍內(nèi)，其頂板上覆基巖厚度由9m銳減到了3m，并且變化沒有明顯規(guī)律；然而在1 852m～1 983m的巷道中發(fā)現(xiàn)，其頂板上覆基巖厚度由3m又逐漸增加到了11m，其最大基巖厚度約為13.6m；最后1 983～2 300m的一段巷道，其上覆基巖厚度保持在5m以上的長(zhǎng)達(dá)101.5m，基巖厚度變化相對(duì)于上述幾段較為平緩。

布爾臺(tái)煤礦22625工作面的機(jī)械運(yùn)輸平巷自工作面切眼到停采線的這段區(qū)域，頂板薄基巖的厚度變化較大，其中在1 651 m處基巖最厚達(dá)到最大（45m），在1 852m處基巖厚度達(dá)到最薄（3m），在整段區(qū)域內(nèi)基巖平均厚度達(dá)23.67 m；同時(shí)，22625工作面的軌道運(yùn)輸平巷的基巖變化也同樣明顯，自工作面開切眼處到工作面的停采線處，基巖厚度變化在49～13m的范圍內(nèi)，其區(qū)域內(nèi)基巖平均厚度達(dá)28.53m[2]。

2 工作面支架工作阻力的合理設(shè)定

2.1 薄基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型的建立

在巷道頂板覆巖厚度大，基巖薄的條件下進(jìn)行開采活動(dòng)，采煤工作面薄基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型的建立應(yīng)當(dāng)充分依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)頂板基巖厚度變化來設(shè)定，并兼顧其開采條件，合理地設(shè)定模型中工作面支架的工作阻力。其中，針對(duì)采場(chǎng)基巖的構(gòu)造特性，可將物理力學(xué)模型分為四類進(jìn)行，1類采場(chǎng)基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型；2類采場(chǎng)基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型；3類采場(chǎng)基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型；4類采場(chǎng)基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型。

1）1類采場(chǎng)基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型主要研究頂板上覆基巖厚度大于18.76m的情況，由于這部分基巖在裂隙發(fā)育過程中容易形成巖梁平衡結(jié)構(gòu)，能夠以周期來壓的形式作用在工作面支架上面形成采場(chǎng)支架的動(dòng)載荷，由圖1所示。

圖1 1類采場(chǎng)基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型

針對(duì)該種情況為了預(yù)防基本頂剪切冒落及采場(chǎng)的臺(tái)階下沉，所需要設(shè)定的工作面支架工作阻力為：

式中：P2為老頂失衡所施加在支架上的不平衡荷載，包括老頂和其上覆巖層的荷載；Q1為直接頂作用在支架上面的荷載。

2）2類采場(chǎng)基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型主要研究上覆基巖厚度 h在 5.46～6.63 m＜h＜15.35～16.68m的情況，由于此類基巖厚度較1類的基巖薄，所以并不能在支架上方垮落成結(jié)構(gòu)，這時(shí)候工作面支架上要承受的荷載主要來自于采場(chǎng)上覆基巖巖層的重量及松散土層形成的復(fù)雜重力，基于此類情況建立了2類采場(chǎng)基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型來具體研究，如圖2所示[3]。

工作面支架所承受的工作阻力為：

式中：W為選取支架的實(shí)際工作寬度，m；φ為采場(chǎng)垮落來壓動(dòng)載荷系數(shù)；Ha為采場(chǎng)的實(shí)際控頂距，m；hr為采場(chǎng)上覆基巖巖層的實(shí)際厚度，m；hs為采場(chǎng)上覆松軟土層的垮落厚度，m；ρr為采場(chǎng)上覆基巖巖層的平均密度，t/m3；ρs為采場(chǎng)上覆松軟土層的平均密度，t/m3。

圖2 2類采場(chǎng)基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型

3）3類采場(chǎng)基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型主要研究上覆基巖厚度h在2.85～3.26m＜h＜5.78～6.67m的情況，由于這部分區(qū)域頂板垮落后不能及時(shí)填充采空區(qū)，但為了確定工作面支架的荷載，物理力學(xué)模型按照采空區(qū)完全填充來建立，如圖3所示。

工作面支架所承受的工作阻力計(jì)算公式同式（1），只是由于巖石的碎脹性原因可能導(dǎo)致巖層垮落厚度有所不同。

4）4類采場(chǎng)基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型主要研究上覆基巖厚度在3.15m以下的情況，由于該區(qū)域的基巖巖層厚度過小，無法在頂板巖層垮落后形成一定的平衡結(jié)構(gòu)，但為了實(shí)驗(yàn)室的模擬需要，將這部分區(qū)域假設(shè)為基巖巖層垮落的自重荷載，以保證模擬的有效性，如圖4所示。

工作面支架所承受的工作阻力為：

其式中參數(shù)的意義和2類采場(chǎng)基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型中的相同。

2.2 采場(chǎng)支架工作阻力的確定

根據(jù)布爾臺(tái)煤礦現(xiàn)場(chǎng)基巖的實(shí)際測(cè)定，依據(jù)數(shù)據(jù)合理確定采場(chǎng)基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研確定工作面支架工作阻力計(jì)算工作中的各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)而科學(xué)指導(dǎo)工作面支架工作阻力的設(shè)定，保證采場(chǎng)的安全。

圖3 3類采場(chǎng)基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型

圖4 4類采場(chǎng)基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室核算發(fā)現(xiàn)：1類采場(chǎng)基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型中計(jì)算出的工作面支架工作阻力為7 869.53 kN；2類采場(chǎng)基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型中計(jì)算出的工作面支架工作阻力為7 984.06 kN；3類采場(chǎng)基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型中計(jì)算出的工作面支架工作阻力為8 735.61 kN；4類采場(chǎng)基巖-支架-覆巖物理力學(xué)模型中計(jì)算出的工作面支架工作阻力為4 596.25 kN。通過上述計(jì)算數(shù)據(jù)，考慮到要留取一定的安全含量，選取工作面支架工作阻力為9 500 kN，以保證采場(chǎng)支架滿足實(shí)際需求[4]。

3 采場(chǎng)支架工作阻力實(shí)測(cè)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所計(jì)算的工作面支架工作阻力，指導(dǎo)數(shù)據(jù)設(shè)定22625工作面的液壓支架，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支架的工作狀態(tài)發(fā)現(xiàn)：頂板基巖巖層厚度較小的區(qū)域頂板周期來壓步距明顯小于頂板基巖巖層厚度大的區(qū)域；所監(jiān)測(cè)區(qū)域的液壓支架工作平均初撐力在6 352 kN左右，并且發(fā)現(xiàn)支架在整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中最大支撐壓力在9 761.25 kN，雖然超過了設(shè)定的工作阻力，但完全在支架安全工作阻力范圍之內(nèi)，并控制在10%的安全規(guī)程內(nèi)。

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研，采用四種物理力學(xué)模型來有效分析在支架工作中其工作阻力的設(shè)定問題，并合理確定為9 500 kN，并通過后期對(duì)現(xiàn)場(chǎng)液壓支架工作狀態(tài)的一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步的驗(yàn)證了9 500 kN這一數(shù)據(jù)的科學(xué)性，為現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)提供了科學(xué)有效的指導(dǎo)，并對(duì)布爾臺(tái)煤礦的基巖研究起到了一定的指導(dǎo)意見。