特厚煤層支架工作阻力適應(yīng)性研究

劉 華 軍

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

1 工程概況

斜溝煤礦23110 綜放工作面使用綜采放頂煤工藝、自然垮落法的頂板管理方法，回采面長240m、所采的13# 煤層均厚15m，平均傾角7.1°，回采時(shí)的機(jī)采高度4m。煤層直接頂炭質(zhì)泥巖均厚1m，基本頂細(xì)粒砂巖均厚7.4m；直接底巖性與直接頂相似，為較破碎的炭質(zhì)泥巖，均厚2.07m，基本底均厚9.25m，為灰黑色的泥巖。工作面共布置ZF13800/27/42 型液壓支架128 架，目前通過對23110 綜放工作面回采過程中來壓現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)支架在非來壓期間的平均工作阻力為7500kN，回采時(shí)周期來壓步距為12m，而支架在來壓期間的平均工作阻力可上升至15000kN，導(dǎo)致安全閥頻繁開啟，并且觀察到來壓期間工作面頂板下沉量大， 存在壓架的安全隱患， 故需對ZF13800/27/42 型液壓支架的適應(yīng)性進(jìn)行研究。

2 頂板力學(xué)特征分析

圖1 大采高放頂煤覆巖結(jié)構(gòu)示意圖

煤層厚度達(dá)15m 的特厚煤層開采時(shí)，工作面后方覆巖垮落空間大，因此覆巖垮落影響劇烈，并且由于斜溝煤礦特厚煤層采高達(dá)4.0m，使得一般采高下回采后覆巖中可形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的基本頂會(huì)成為隨采垮落的直接頂，更高位的堅(jiān)硬覆巖形成回采過后覆巖砌體梁結(jié)構(gòu)中的基本頂，如圖1 所示。當(dāng)工作面支架阻力達(dá)不到控制覆巖頂板下沉的要求時(shí)，直接頂下沉超過一定值后，會(huì)導(dǎo)致覆巖中懸臂梁的回轉(zhuǎn)下沉，使其承載能力降低，破壞砌體梁的完整性，工作面來壓時(shí)會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致砌體梁的滑落、失穩(wěn)，進(jìn)一步導(dǎo)致強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)，使工作面支架承受較高的工作阻力。

2.1 非來壓期間

綜放工作面在非來壓期間正常推進(jìn)時(shí)，工作面覆巖形成的多層懸臂梁的自重對工作面液壓支架產(chǎn)生作用力。

對于懸臂結(jié)構(gòu)[1-2]，第i 層單邊固定的懸臂梁長度Li及自重Gi分別由式1、式2 計(jì)算得到：

式中：RTi為第i 層巖層的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；hi為第i 層巖層的厚度；qi為第i 層巖層形成懸臂梁上單位長度所受載荷，MPa。

其中：b 為綜放工作面支架寬度，m。

工作面覆巖所形成懸臂梁重心與工作面煤壁距離不同時(shí)，產(chǎn)生的作用力也不同。第i 層單邊固定的懸臂梁重心與工作面煤壁之間的距離xi一般為該層懸臂梁長度的一半，即架在多層覆巖懸臂梁作用下需承擔(dān)的作用力FC由式3 所得：

式中：hm為待放頂煤厚度，m；lr 為液壓支架立柱中心點(diǎn)與煤壁的距離，m；γm為待放頂煤平均容重，kN/m3；ld 為綜放支架頂梁的長度，m；k 為相鄰支架前后挪動(dòng)距離系數(shù)，取1.2。

2.2 來壓期間

隨著工作面的持續(xù)回采，工作面覆巖形成的懸臂梁達(dá)到一定長度后，會(huì)發(fā)生回轉(zhuǎn)、破斷，造成工作面來壓，而懸臂梁演化為砌體梁，因此，液壓支架在低位處提供等同于覆巖懸臂梁自重的阻力的同時(shí)，還應(yīng)在高位處保證支架對所形成的砌體梁有一定的支撐力[3]，防止覆巖產(chǎn)生的懸臂梁發(fā)生回轉(zhuǎn)時(shí)影響上層位砌體梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

對于砌體梁結(jié)構(gòu)[4]，工作面液壓支架回采過程中需維持砌體梁穩(wěn)定所提供的作用力Fj可由式4進(jìn)行計(jì)算：

式中：Q0為工作面覆巖關(guān)鍵層所控制巖層及其自身的載荷，kN；l 為回采中周期來壓步距，m；s 為回采過程中覆巖關(guān)鍵層下沉量，m；θ 為覆巖破斷角，°；h 為覆巖關(guān)鍵層厚度，m；φ 為覆巖巖塊間摩擦角，°。

綜上，可以得到大采高放頂煤工作面液壓支架所需工作阻力F 的計(jì)算公式式5：

若液壓支架所能提供的最大工作阻力也無法使砌體梁結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，砌體梁的滑落失穩(wěn)則一定會(huì)使懸臂巖梁發(fā)生剪破壞，在液壓支架頂梁長度范圍內(nèi)發(fā)生剪破壞懸臂梁會(huì)施加載荷于支架，使支架承受較高的工作阻力。

3 支架工作阻力的確定

將斜溝煤礦23110 綜放工作面覆巖巖層的具體參數(shù)代入上述公式進(jìn)行23110 綜放工作面安全回采所需支架工作阻力的確定。

3.1 非來壓期間支架阻力計(jì)算

工作面正常推進(jìn)未受周期來壓影響時(shí)，其覆巖形成的懸臂梁為“倒臺(tái)階”結(jié)構(gòu)。23110 綜放工作面煤層上方各層巖層強(qiáng)度不同，致使覆巖在回采過后形成了多層懸臂梁組合結(jié)構(gòu)，且在該典型的" 倒臺(tái)階" 結(jié)構(gòu)中，由下至上的懸臂梁長度逐漸增加，多層懸臂梁同頂煤一起施加載荷于支架。煤層直接頂炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度不高，但在跨落后形成較短的懸臂仍可對上方巖性更弱、層厚較小的泥巖與炭質(zhì)泥巖提供支撐力，形成了第一層“倒臺(tái)階”懸臂梁；同理該懸臂梁上方質(zhì)地較硬的粗砂巖和細(xì)砂巖會(huì)形成第二層、第三層“倒臺(tái)階”懸臂梁，如圖2 所示。

圖2 23110 工作面非來壓期間覆巖懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖

23110 綜放工作面待放頂煤厚為11.0m，平均容重為14kN/m3，液壓支架立柱中心點(diǎn)與煤壁的距離為3.8m，綜放支架頂梁的長度為5.5m、寬1.75m，并將覆巖具體力學(xué)參數(shù)代入式3 計(jì)得出，在工作面非來壓正常回采期間液壓支架受覆巖多層懸臂梁載荷作用所表現(xiàn)出來的工作阻力FC=7450kN。與該工作面非來壓回采過程中支架工作阻力的礦壓監(jiān)測結(jié)果相符，說明所采用支架的工作阻力可滿足該工作面非來壓期間安全回采的要求。

3.2 來壓期間支架阻力計(jì)算

在工作面周期來壓期間，液壓支架所需工作阻力F 由承載上覆低位懸臂梁載荷和保持高位砌體梁穩(wěn)定情況下所需工作阻力兩部分組成，即F=FC+Fj。

23110 工作面覆巖中關(guān)鍵層的厚度為14.3m，現(xiàn)場回采過程中的礦壓監(jiān)測顯示，回采時(shí)的周期來壓步距為11.5m，回采過后關(guān)鍵層有3.5m 的下浮，覆巖各巖塊間平均摩擦角取45°，將上述參數(shù)代入公式即得到在工作面周期來壓期間可保證工作面安全回采的支架阻力為F=FC+Fj=7503+10476=17979kN。

若支架在工作面來壓期間所提供工作阻力達(dá)不到17979kN，就會(huì)導(dǎo)致覆巖砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及懸臂梁的剪切破壞，此時(shí)破斷的懸臂梁對支架的載荷此時(shí)工作面支架所受到的作用力將不小于Fj與Fz之和，即F≥Fj+Fz=21846kN。從而使支架承更高的工作阻力，產(chǎn)生壓架的安全隱患。

4 結(jié) 論

本文以斜溝煤礦23110 綜放工作面的回采作業(yè)為背景，通過對特厚煤層綜放工作面覆巖頂板來壓期間與非來壓期間的力學(xué)特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)由于特厚煤層工作面后方覆巖垮落空間大，導(dǎo)致回采過程中覆巖會(huì)形成下位“倒臺(tái)階”懸臂梁、上位砌體梁的結(jié)構(gòu)，并通過理論計(jì)算得液壓支架的工作阻力高于17979kN 時(shí)，才能避免覆巖砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)滑落，保證斜溝煤礦23110 綜放工作面的安全回采，否則砌體梁結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)滑落會(huì)導(dǎo)致支架承受不低于21846kN 的工作阻力，增大壓架的風(fēng)險(xiǎn)。