基于礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)的回采工作面支架適應(yīng)性研究

肖 瑤，張小康

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 霍州 031400)

液壓支架是回采工作面最為重要的裝備之一，除了對刮板輸送機(jī)等設(shè)備進(jìn)行推移外，更重要的是要通過其工作阻力，維護(hù)采場上覆巖層的穩(wěn)定、確保采場作業(yè)空間。因此，對于生產(chǎn)期間特別是來壓期間，液壓支架工作阻力發(fā)揮效能如何、能否對來壓期間的上覆巖層實(shí)現(xiàn)有效控制，是工作面能否實(shí)現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)的一個(gè)重要因素。國內(nèi)外學(xué)者在支架結(jié)構(gòu)與支架適應(yīng)性方面進(jìn)行了大量的理論研究，文獻(xiàn)[1]構(gòu)建了液壓支架“三因素指標(biāo)體系”適應(yīng)性評價(jià)指標(biāo)，文獻(xiàn)[2]對比分析了兩柱支架和四柱支架的優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)性，文獻(xiàn)[3]認(rèn)為四柱支撐掩護(hù)式支架具有更好的端面控頂效果，文獻(xiàn)[4-5]分析了平衡千斤頂對兩柱掩護(hù)式支架適應(yīng)性的影響，文獻(xiàn)[6]對頂梁外載荷作用位置進(jìn)行了理論研究，得出支撐掩護(hù)式支架頂梁長度確定原則。上述研究較為全面地從支架結(jié)構(gòu)方面對支架的適應(yīng)性進(jìn)行了研究，但結(jié)合覆巖破斷規(guī)律及現(xiàn)場礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行支架適應(yīng)性的評價(jià)工作開展較少。本文以干河煤礦2-116工作面為例，通過研究工作面生產(chǎn)過程中圍巖運(yùn)動與支架承載情況，分析該系列支架的適應(yīng)性。

1 工作面工程地質(zhì)條件

霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司干河煤礦井田面積為35.559 9 km2，生產(chǎn)能力為210萬t/a.該礦2-116工作面地表位于工業(yè)廣場西南部，地表形態(tài)屬低山黃土丘陵，以黃土梁、垣特征，黃土沖溝發(fā)育，工作面地表大部為農(nóng)田耕地，黃土覆蓋厚度30～90 m，基巖厚510～590 m，埋藏深度較大。2-116回采工作面煤層平均厚度3.5 m，夾矸0.4 m左右。煤層結(jié)構(gòu)1.6(0.4)1.5，煤層傾角4°～12°，平均8°. 以工作面開采范圍的M-1-2鉆孔所示巖層地層分布特征，分析2#煤層上覆頂板巖層情況。

2 基本頂?shù)呐袆e及斷裂步距

2.1 基本頂?shù)呐袆e

工作面覆巖基本參數(shù)見表1，根據(jù)巖層載荷計(jì)算公式[7-9]：

(1)

式中：

(qn)1—第n巖層對第一層的載荷，MPa;

q1—第一層關(guān)鍵層自身載荷；

Ei—第i巖層的彈性模量，MPa；

γi—第i巖層的重度，MN/m3；

hi—第i巖層的厚度，m.

第一層本身的載荷q1為：

q1=γ1h1=27×1.59=42.93 kPa

(2)

考慮到第二層對第一層的作用：

以此類推，2-116工作面覆巖巖性及覆巖載荷計(jì)算結(jié)果見表1.

表1 覆巖載荷計(jì)算結(jié)果表

由計(jì)算結(jié)果可知，第三層及以上巖層對第一層的載荷影響不大，第八層及以上巖層對第三層的載荷影響不大，單純從覆巖載荷來看都可以是基本頂。但是第三層巖層距離煤層過近，處于垮落帶范圍，而第八層巖層本身強(qiáng)度高、厚度大、距離煤層遠(yuǎn)，位于覆巖的斷裂帶，因此判斷第八層巖層為覆巖的基本頂。

2.2 斷裂步距的計(jì)算

基本頂在初次垮落之前，由于工作面推進(jìn)距離不足，導(dǎo)致采動空間相對較小而前后均為實(shí)體煤，破斷方式可簡化成為梁式破斷。在按照梁式計(jì)算破斷步距時(shí)，在一般情況下，由于彎矩形成的極限跨距要比剪應(yīng)力形成的極限跨距小，因此常常按照彎矩來計(jì)算極限跨距，梁式計(jì)算分為簡支梁與固支梁。在初次破斷情況下兩邊均為實(shí)體煤，所以按照固支梁計(jì)算。

所以基本頂所承受的載荷由表1知q1=295.95 kPa，抗拉強(qiáng)度經(jīng)細(xì)粒砂巖物理參數(shù)性質(zhì)表查得Rt=6.75 MPa.

計(jì)算公式為：

(3)

式中：

L1—基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄啵琺；

h—基本頂?shù)膶雍?，m；

Rt—基本頂?shù)目估瓘?qiáng)度，MPa；

q1—基本頂上覆巖層所承受載荷，kPa；

由式(3)得：L1=39.77 (m)

當(dāng)工作面推進(jìn)一定距離后，基本頂開始周期斷裂，推進(jìn)方向?yàn)閷?shí)體煤，假設(shè)推進(jìn)相反方向基本頂并未斷裂，整體呈懸臂梁結(jié)構(gòu)，所以基本頂周期來壓簡化成懸臂梁后的步距公式為：

(4)

代入后由式(4)算得：L2=16.55 m

綜上所述，基本頂按照梁式破斷時(shí)的初次破斷步距L1=39.77 m，周期破斷步距L2=16.55 m.

3 基本頂來壓強(qiáng)度的理論計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測

3.1 基本頂來壓對工作面支架載荷的計(jì)算

當(dāng)基本頂達(dá)到極限跨距后，隨著回采工作面的繼續(xù)推進(jìn)，基本頂開始發(fā)生斷裂，斷裂后成為外表似梁，實(shí)質(zhì)是拱的“砌體梁”結(jié)構(gòu)。工作面前端為實(shí)體煤，看作為固支端。基本頂自重和上覆巖層對基本頂?shù)淖饔昧榻Y(jié)構(gòu)提供向下的載荷，支架和咬合點(diǎn)回轉(zhuǎn)變形兩處提供一個(gè)向上的支座反力。但考慮到直接頂巖層隨采隨冒，不能按照極限垮落步距來計(jì)算，同時(shí)考慮到支架掩護(hù)長度為5 m，所以定義直接頂在垮落時(shí)的距離為5 m. 該計(jì)算過程中，為方便計(jì)算取各層寬1 m，支架寬1 m，平均載荷換算成集中載荷進(jìn)行計(jì)算。對支架進(jìn)行受力分析，建立平衡方程如下：

由豎直方向靜力平衡條件：

∑Fy=0q直+q基+q3=F支+R

(5)

由鉸接覆巖力矩平衡：∑M=0

(6)

式中：

q直—直接頂集中載荷，MPa,取0.44；

q基—基本頂集中載荷，MPa,取2.82；

q3—上覆巖層對基本頂?shù)募休d荷，MPa,取8.57；

F支—支架所承擔(dān)的反力，取其集中力，MPa；

R—巖塊咬合點(diǎn)回轉(zhuǎn)變形所提供的反力，kN；

l2—基本頂周期破斷步距，m,取16.08；

l直—直接頂垮落步距，m,取8；

l控—最大控頂距與最小控頂距平均值，m,取5.

聯(lián)立式(5)和式(6)，求得支架所受到的集中載荷結(jié)果為：

F支=7.14 MPa

干河煤礦工作面采用的支架型號為ZY-9000/25.5/55，分左柱和右柱，柱徑D=0.36 m，支架所受壓力經(jīng)計(jì)算求得F支=7.24 MPa.那么考慮到液壓柱在周期來壓時(shí)所受壓力的大小為：

前述構(gòu)建的平衡結(jié)構(gòu)模型默認(rèn)上覆巖層均勻連續(xù)，同時(shí)默認(rèn)來壓時(shí)直接頂與基本頂為整體性下沉，并未考慮離層情況，計(jì)算存在誤差，定義誤差系數(shù)K=0.95來對計(jì)算的實(shí)際結(jié)果進(jìn)行修正。

經(jīng)理論計(jì)算求得來壓時(shí)工作面支架液壓缸所受載荷F柱=35.59 MPa，其實(shí)際情況為：

F實(shí)=F柱×K=33.81 MPa

3.2 來壓特征分析

在工作面6號、56號、116號綜采液壓支架設(shè)置監(jiān)測測線，將3條監(jiān)測測線綜采液壓支架工作阻力監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出，把典型的具有周期來壓特征的數(shù)據(jù)用Excel折線圖表示，在各測線上選擇具有連續(xù)性、特征性的一組時(shí)間段，并在該段時(shí)間內(nèi)截取來壓周期具體的時(shí)間進(jìn)行研究。工作面第6號、56號、116號支架工作阻力選取具體時(shí)間段分別為2018.07.03—2018.07.28、2018.08.13—2018.09.10、2018.09.03—2018.09.31.

工作面來壓期間支架工作阻力數(shù)值特征分析研究考慮到涉及基本頂周期來壓、來壓強(qiáng)度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算過程非常繁瑣，牽扯到大量的計(jì)算參數(shù)與計(jì)算公式，從簡化計(jì)算方面來講，合理的定義出計(jì)算參數(shù)與計(jì)算公式是非常有必要的。

基本頂斷裂步距的統(tǒng)計(jì)計(jì)算公式：

(7)

式中：

j—選取數(shù)據(jù)的周期來壓連續(xù)時(shí)間段內(nèi)的第j次來壓，次；

n—選取的連續(xù)時(shí)間段內(nèi)周期來壓次數(shù)，次。

基本頂來壓強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)計(jì)算公式：

(8)

式中：

n—選取的連續(xù)時(shí)間段內(nèi)周期來壓次數(shù)，次。

以下在進(jìn)行支架工作阻力數(shù)值特征的統(tǒng)計(jì)運(yùn)算時(shí)，避免反復(fù)出現(xiàn)相同公式計(jì)算，默認(rèn)上述公式。

為分析支架實(shí)際破斷來壓歩距，需要了解不同時(shí)間工作推采進(jìn)尺，對支架工作阻力來壓分析時(shí)，利用工作面進(jìn)尺反推來壓步距。工作面進(jìn)尺情況見表2.

表2 回采工作面進(jìn)尺表

1) 實(shí)測6號支架工作阻力數(shù)值分布特征見圖1. 由圖1可知，2018年7月03日—18日，6號支架共計(jì)5次周期來壓，選取第1、2、3次進(jìn)行分析，分別為3日、9日、14日，間隔5天、5天和4天，來壓情況成持續(xù)上升狀態(tài)，最大值為37.8 MPa.

按式(8)計(jì)算6號支架第一段連續(xù)時(shí)間內(nèi)平均周期來壓強(qiáng)度可得：

圖1 6號支架工作阻力分時(shí)分布特征圖

2) 56號支架工作阻力分布特征見圖2. 由圖2分析可知，8月26日支架因設(shè)備故障問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失，無法準(zhǔn)確地進(jìn)行來壓判別，但是綜合考慮116工作面的頂板來壓規(guī)律加以現(xiàn)有數(shù)據(jù)的引導(dǎo)，可以推測8月28日缺失的時(shí)間段為頂板周期來壓時(shí)間，故8月8日—9月7日之內(nèi)共計(jì)6次周期來壓，選取第3、4、5次周期來壓進(jìn)行分析，分別為13日、17日、9月2日，分別間隔4天、4天、3天。來壓情況成持續(xù)上升狀態(tài)，最大值為44.7 MPa.

圖2 56號支架工作阻力分時(shí)分布特征圖

3) 116號支架工作阻力分布特征見圖3.由圖3可知9月1日—9月13日之內(nèi)共計(jì)5次周期來壓，選取第1、2、3次周期來壓分析，分別為1日、5日、9日，間隔3天、4天和4天，來壓情況成持續(xù)高壓狀態(tài)，最大值為38.5 MPa.

按式(8)計(jì)算116號支架連續(xù)時(shí)間段內(nèi)平均周期來壓強(qiáng)度可得：

圖3 116號支架工作阻力分時(shí)分布特征圖

4 2-116工作面支架適應(yīng)性分析

將涉及到3條測線中的3架支架工作阻力數(shù)值匯總，各臺支架選取一組連續(xù)時(shí)間段，總計(jì)3組數(shù)據(jù)，各組數(shù)據(jù)又分為基本頂周期來壓步距與基本頂周期來壓強(qiáng)度共兩組，所以需要選取具有代表性的來壓步距與來壓強(qiáng)度數(shù)值與前述的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較?；卷攣韷禾卣髑闆r多復(fù)雜變化，很難進(jìn)行細(xì)節(jié)研究，所以考慮用各組數(shù)值相加求平均值的方法，求出一個(gè)不夠精準(zhǔn)但是具有代表性的平均值，與之前理論計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行一個(gè)大范圍上的比較，驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性，并且求出理論結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)存在的誤差百分比。

來壓實(shí)際支架工作阻力平均值計(jì)算：

前述通過力學(xué)平衡化簡構(gòu)建模型求得基本頂周期來壓強(qiáng)度F實(shí)=33.81 MPa，求得基本頂周期來壓步距L2=16.55 m.

理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工作阻力、周期來壓步距的誤差百分比為：

經(jīng)誤差百分比可知，前述通過構(gòu)建力學(xué)平衡的方法推算基本頂來壓周期的強(qiáng)度、步距大小大體上接近基本頂周期來壓時(shí)的實(shí)際支架的工作阻力，計(jì)算的周期來壓強(qiáng)度誤差為-5.6%，計(jì)算的來壓步距誤差為5.3%.

5 結(jié) 論

1) 綜上理論分析與現(xiàn)場實(shí)測，2-116工作面所使用的ZY-9000/25.5/55支架工作阻力與來壓強(qiáng)度匹配度好，可以滿足工作面頂板控制與安全生產(chǎn)的要求。

2) 在干河煤礦生產(chǎn)實(shí)際條件下，可以利用經(jīng)典礦山壓力的基本頂分析及其斷裂步距分析，預(yù)測工作面周期來壓強(qiáng)度，從巖層控制方面對支架的選型可以起到較好的支撐作用。