近淺埋煤層雙關(guān)鍵層工作面支架阻力確定?

李國棟，曹啟正，宋帥帥

(1.新疆大學 地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.礦產(chǎn)資源生態(tài)環(huán)境保護性開采自治區(qū)教育廳普通本科高校重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830047；3.菏澤市應(yīng)急管理局,山東 菏澤 274300)

0 引言

我國西部礦區(qū)煤炭儲量極為豐富，煤層埋藏淺、賦存穩(wěn)定、煤質(zhì)好[1?3].許多學者針對淺埋煤層(埋深<150 m和薄基巖)頂板結(jié)構(gòu)及巖層控制理論開展了大量研究，構(gòu)建了典型淺埋煤層覆巖結(jié)構(gòu)力學模型[4?5]，并揭示了淺埋煤層工作面頂板臺階下沉和結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)機理，為淺埋煤層頂板巖層控制提供了理論基礎(chǔ).文獻[4]、文獻[6]以“關(guān)鍵層、埋深和基載比”為指標對“淺埋煤層”進行了科學定義，并通過建立淺埋煤層“臺階巖梁”和“短砌體梁”結(jié)構(gòu)模型，得到了控制結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)需滿足的支護力大??；文獻[7]、文獻[8]研究了多煤層工作面厚關(guān)鍵層破斷特征及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)工作面頂板雙關(guān)鍵層破斷具有大、小周期來壓現(xiàn)象；文獻[9]通過物理相似模擬實驗，發(fā)現(xiàn)基于“等效直接頂”在采空區(qū)的充填程度，可進一步將雙關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)劃分為“斜臺階巖梁-砌體梁”和“雙砌體梁”兩種結(jié)構(gòu)類型，得到了控制“斜臺階巖梁-砌體梁”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的支護阻力計算方法.由此可見，合理的液壓支架支護阻力可有效避免工作面頂板臺階下沉和結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)，保證工作面頂板安全.由于上述研究多集中在單一關(guān)鍵層或者“斜臺階巖梁-砌體梁”雙關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，而關(guān)于“雙砌體梁”結(jié)構(gòu)對工作面液壓支架阻力影響的研究較少，本文以陜北榆神府礦區(qū)某礦42111綜采工作面為研究背景，通過分析該工作面的礦壓規(guī)律和合理支架阻力的確定，力求為該類綜采工作面支架選型和頂板巖層控制提供借鑒.

1 工程背景

某礦井位于陜北榆神府礦區(qū)東北部，井田內(nèi)地層近水平，基巖堅硬且厚度較小，構(gòu)造總體為單斜構(gòu)造，寬緩小型波狀起伏局部發(fā)育，煤層平均埋深120 m.礦井生產(chǎn)實踐表明，近淺埋采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律顯著區(qū)別于普通深埋煤層.由于對停采時機和頂板來壓機理掌握不準確，該礦井4?2煤層一盤區(qū)綜采工作面曾在末采期回撤設(shè)備過程中，多臺液壓支架受到劇烈沖擊載荷作用，支架支柱被不同程度壓死甚至壓斷，工作面煤壁片幫致使刮板輸送機超載嚴重甚至雙鏈崩斷，工作面無法正常運轉(zhuǎn)，地面伴有明顯的臺階下沉現(xiàn)象，采場來壓時地表和工作面形態(tài)如圖1所示.

圖1 采場來壓時地表和工作面形態(tài)Fig 1 Surface and working face morphology of overburden during roof weighting

4?2煤層一盤區(qū)42111工作面為該礦井典型的近淺埋煤層綜采工作面，工作面平均采高3.08 m，日進尺：0.865 m/循環(huán)×20循環(huán)/天=17.3 m/天，工作面沿煤層傾斜方向布置，長度240 m，沿煤層走向推進，推進距離約為4 200 m，工作面上、下順槽凈斷面寬×高=5.4 m×2.9 m，該工作面地層綜合柱狀圖如圖2所示.4?2煤層厚度2.9～3.2 m，平均3.08 m，局部含0～3層粉砂巖或泥巖夾矸，夾矸厚度0.05～0.76 m，平均0.23 m.4?2煤層頂板：局部為0.1～0.3 m厚的泥巖偽頂；直接頂為7.15 m厚的粉砂巖，具水平紋理及波狀層理；基本頂厚度38.76～45.13 m，平均42.87 m，巖性自下向上依次為細粒砂巖、粉砂巖和細粒砂巖，其中平均厚度9.7 m的細粒砂巖為下位關(guān)鍵層、11.27 m厚的細粒砂巖為上位關(guān)鍵層；由粘土、黃土、粉細砂和風積沙等組成的松散層位于基本頂之上，平均厚度76.22 m.4?2煤層直接底巖性為粉砂巖，具有水平紋理及微波層理，平均厚度12.85 m.

圖2 42111工作面地層綜合柱狀圖Fig 2 Comprehensive histogram of 42111 working face strata

2 近淺埋煤層綜采工作面頂板破斷特征

2.1 頂板“雙砌體梁”結(jié)構(gòu)特征

由42111工作面地層綜合柱狀圖可知，4?2煤層頂板含有上、下兩層關(guān)鍵層，工作面開采后，上覆巖層由下向上縱向運動，當下位關(guān)鍵層距煤層較近時，下位關(guān)鍵層斷裂進入規(guī)則垮落帶形成“懸臂梁”結(jié)構(gòu)，如圖3（a）所示，而上覆巖層需要在更高的位置才可形成鉸接的“砌體梁”結(jié)構(gòu)[10].

根據(jù)綜采工作面采場垮落帶高度與采高的關(guān)系[11]：

式中：mz為垮落帶高度，m為煤層采高（取3 m），Sp為垮落巖層沉降值（取0.35～0.5倍的采高），kp為直接頂巖石碎脹系數(shù)（取1.3）.

由式（1）可知，42111工作面垮落帶高度mz=5.01～6.51 m<7.15 m，表明下位關(guān)鍵層未進入垮落帶，可以形成鉸接的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，因此，42111工作面頂板雙關(guān)鍵層破斷可形成“雙砌體梁”結(jié)構(gòu)，如圖3（b）所示.

圖3 采場頂板雙關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)Fig 3 Double key stratum structure of the stope roof

2.2 頂板來壓大、小周期現(xiàn)象

結(jié)合板模型理論[12]，計算得到42111工作面雙關(guān)鍵層初次來壓步距和周期來壓步距，其中下位關(guān)鍵層初次來壓和周期來壓步距分別為52.2 m、14.8 m，上位關(guān)鍵層初次來壓和周期來壓步距分別為65.1 m、31.4 m，表明上、下位關(guān)鍵層來壓步距差別較大.由圖4可知，42111工作面頂板來壓具有顯著的大、小周期來壓現(xiàn)象.隨著工作面均速推進，當位于下位關(guān)鍵層初次破斷步距（約為49 m）時，工作面初次來壓；隨著工作面繼續(xù)推進，一旦達到上位關(guān)鍵層極限垮斷步距（約72 m）時，上位關(guān)鍵層初次破斷，上覆巖層運動劇烈甚至波及到地表，并且下位關(guān)鍵層由于受上位關(guān)鍵層破斷影響而提前斷裂，此時工作面出現(xiàn)第一次來壓強度較大的周期來壓.由于上、下位關(guān)鍵層具有不同的來壓步距，隨著工作面持續(xù)推進，工作面雙關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“同步破斷-非同步破斷”的交替來壓過程，即工作面出現(xiàn)大、小周期來壓現(xiàn)象，工作面大周期來壓（步距約32～37 m）時雙關(guān)鍵層同步破斷、壓力大，工作面小周期來壓（步距約13～17 m）時下位關(guān)鍵層破斷、壓力小.

圖4 42111工作面來壓期間支架阻力曲線Fig 4 Support resistance curve during 42111 working face compression

3 雙關(guān)鍵層綜采工作面支架阻力確定

3.1 雙關(guān)鍵層“支架圍巖”力學模型

大量研究表明合理的液壓支架支護阻力可有效避免“砌體梁”關(guān)鍵塊體沿工作面切頂或臺階下沉[4?5]，結(jié)合近淺埋煤層綜采工作面的頂板破斷特征，可以構(gòu)建42111工作面頂板來壓時“支架-圍巖”力學模型（如圖5所示）.隨著工作面推進，頂板雙關(guān)鍵層破斷形成“雙砌體梁”結(jié)構(gòu)，當上、下位關(guān)鍵層非同步破斷即小周期來壓時，此時支架上荷載取決于下位關(guān)鍵層及雙關(guān)鍵層夾層；當上、下位關(guān)鍵層同步破斷即大周期來壓時，上位關(guān)鍵層自重及其荷載充分傳遞，此時支架上荷載受控于上、下位關(guān)鍵層.工作面采場頂板支護設(shè)計以安全為首要目標，支架阻力計算應(yīng)防止“雙砌體梁”結(jié)構(gòu)大來壓，即上、下位關(guān)鍵層同步破斷結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn).

圖5 頂板來壓“支架-圍巖”力學模型Fig 5 The mechanical model of“support surrounding rock”under roof pressure

3.2 工作面支架阻力計算

根據(jù)文獻[12]可得，支架荷載Pm由上、下位關(guān)鍵塊失穩(wěn)荷載R1和直接頂荷載R疊加確定，即：

式中：γ為容重，h上（下）為關(guān)鍵層的厚度，h為直接頂?shù)暮穸?，b為支架的寬度，L1為關(guān)鍵塊B1長度，P1為關(guān)鍵塊B1載荷，W1為關(guān)鍵塊B1下沉量，θ表示關(guān)鍵塊體B1的回轉(zhuǎn)角，α為直接頂?shù)钠茢嘟?，lk為支架的控頂距，tan?為咬合點處摩擦系數(shù)，R1可拆分成夾層荷載與下位關(guān)鍵層塊體B1自重之和R2、上位關(guān)鍵層塊體B2作用在夾層上荷載.

式中：h夾為上、下位關(guān)鍵層夾層的厚度，b為支架的寬度，L2為關(guān)鍵塊B2長度，P2為關(guān)鍵塊B2荷載，W2為關(guān)鍵塊B2下沉量.

聯(lián)立式(3)、(4)可得，

聯(lián)立式(2)、(5)可得，“雙砌體梁”結(jié)構(gòu)大周期來壓時支架阻力Pmax為：

式中：關(guān)鍵塊B1、B2下沉量W1=W2=m-(kp-1)·h，kp為直接頂巖石碎脹系數(shù)（取1.3），θ值較小可忽略，tan?取0.5，考慮液壓支架支撐效率，則可將支架阻力Pmax簡化為：

式中：μ為液壓支架的支撐效率，支撐掩護式支架取0.80～0.95[11]，本文μ取0.90.

根據(jù)42111工作面生產(chǎn)地質(zhì)概況，煤層采高為3 m，直接頂破斷角tanα=1.732，容重γ=25 kN/m3，直接頂?shù)暮穸萮=6 m，關(guān)鍵塊體B1的厚度h下=9 m、長度L1=10 m，關(guān)鍵塊體B2的厚度h上=11 m、長度L2=30 m，支架的寬度b=1.75 m，控頂距l(xiāng)k=5 m，將上述數(shù)值帶入式（7）得支架阻力為10 241.09 kN.

4 雙關(guān)鍵層綜采工作面液壓支架適應(yīng)性評價

4.1 42111工作面支架型號

由支護阻力計算結(jié)果可知，42111工作面支架阻力不應(yīng)小于10 241.09 kN，現(xiàn)場所選的ZY12000/20/40D型掩護式液壓支架額定支護阻力為12 000 kN＞10 241.09 kN，符合要求，支架主要技術(shù)參數(shù)見表1.

表1 支架主要技術(shù)參數(shù)Tab 1 Main technical parameters of the support

工作面正?；夭蓵r，滯后采煤機后滾筒五架（約9 m），按照“割煤-移架-推移刮板輸送機”的工藝流程管理頂板.工作面來壓時，護幫板超前采煤機前滾筒依次成組收回，頂板支護按照“少降快移+帶壓擦頂”的原則超前移架，隨后伸出護幫板，頂板管理工藝為：“移架-護幫板伸出-護幫板收回-割煤-推移刮板輸送機”.

4.2 液壓支架適應(yīng)性評價

為分析42111工作面ZY12000/20/40D型掩護式液壓支架特定開采條件下的適應(yīng)性，在工作面一定范圍監(jiān)測液壓支架阻力分布情況.42111工作面傾向長240 m，液壓支架共141臺，現(xiàn)場共設(shè)計布置5個測站，每個測站均監(jiān)測3臺液壓支架，42111工作面液壓支架阻力測站布置如圖6所示.第1和第5測站位于工作面兩端頭，沿工作面中部呈對稱分布，第3測站位于工作面中部，第2和第4測站位于工作面端頭-中部之間的過渡區(qū)域并沿工作面中部對稱分布.通過對各監(jiān)測數(shù)據(jù)初步分析，發(fā)現(xiàn)第1和第5測站支架阻力區(qū)間分布基本一致，第2和第4測站支架阻力區(qū)間分布也基本一致，同時位于工作面過渡區(qū)域的支架阻力明顯小于工作面端頭和中部區(qū)域的支架阻力.因此，本文選取工作面端頭和中部區(qū)域測站，即第1和第3測站進行液壓支架適應(yīng)性分析.

圖6 工作面測站布置情況Fig 6 Layout of measuring stations on working face

第1、第3測站支架阻力實測數(shù)據(jù)如表2和圖7所示.支架阻力區(qū)間呈正態(tài)分布，第1測站實測最大支架阻力為45.02 MPa，最小支架阻力為17.97 MPa，阻力區(qū)間介于18～27 MPa的占79.56%、阻力區(qū)間介于27～36 MPa的占15.65%；第3測站實測最大支架阻力為45.70 MPa，最小支架阻力為17.98 MPa，阻力區(qū)間介于18～27 MPa的占12.87%、阻力區(qū)間介于27～36 MPa的占70.18%.綜合測站內(nèi)支架阻力和分布頻率，可知第1、第3測站支架阻力均位于其額定范圍內(nèi)，且有較大的富裕度，說明支架對頂板的支撐作用較好，選擇的支架型號、指標較為合理，可有效保障42111工作面回采時頂板安全.

表2 42111工作面液壓支架阻力分布頻率Tab 2 Resistance distribution frequency of hydraulic support at 42111 working face

圖7 42111工作面液壓支架阻力分布Fig 7 Resistance distribution of hydraulic support at 42111 working face

5 結(jié)論

（1）基于關(guān)鍵層判據(jù)，初步判定42111工作面頂板存在上、下兩層關(guān)鍵層，上、下位關(guān)鍵層破斷形成“雙砌體梁”結(jié)構(gòu)，其來壓具有顯著的大、小周期現(xiàn)象；

（2）通過構(gòu)建42111工作面頂板來壓時“支架-圍巖”力學模型，計算得到“雙砌體梁”結(jié)構(gòu)大周期來壓時支架阻力為10 241.09 kN<12 000 kN，說明現(xiàn)場所選的ZY12000/20/40D型掩護式液壓支架的額定支護阻力符合設(shè)計要求；

（3）42111工作面支架阻力現(xiàn)場實測表明：支架阻力區(qū)間呈正態(tài)分布，均位于其額定阻力范圍且富裕度較大，說明選擇的液壓支架型號、指標較為合理，支架對采場頂板的支撐作用較好，有效保障了工作面頂板安全.