黃慶享，馬龍濤，董 博，沈?yàn)I和

（西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054）

大采高工作面等效直接頂與頂板結(jié)構(gòu)研究

黃慶享，馬龍濤，董 博，沈?yàn)I和

（西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054）

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，揭示了大采高工作面直接頂變厚和覆巖結(jié)構(gòu)鉸接點(diǎn)上移的機(jī)理，給出了“等效直接頂”的定義。研究得出淺埋煤層大采高工作面頂板結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為雙關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，下組關(guān)鍵層為“高位臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)，上組關(guān)鍵層為“短砌體梁”結(jié)構(gòu)，工作面來(lái)壓將出現(xiàn)大小周期來(lái)壓現(xiàn)象。等效直接頂?shù)钠茢酁樯喜坷茢嘞虏考羝茢?，等效直接頂?shù)闹亓渴枪ぷ髅嬷Ъ茌d荷的主要來(lái)源。大采高工作面支架初撐力應(yīng)大于等效直接頂?shù)闹亓?，支架工作阻力主要由等效直接頂重量?gòu)成，占77%，支架額定工作阻力約為初撐力的1.3倍。

大采高；等效直接頂；高位臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)；支護(hù)阻力；淺埋煤層

0 引 言

榆神府礦區(qū)是我國(guó)重要的煤炭基地，為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效，大采高綜采方法得到普遍應(yīng)用[1-2]。為了控制工作面頂板，礦區(qū)不斷增加支架的支撐能力從過(guò)去的6 000 kN/架，增大到17 000 kN/架，支護(hù)成本直線(xiàn)上升。研究表明，大采高綜采面頂板結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為雙關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)[3-4]，但是分析的思路仍然沿用普通采高工作面的方法，大采高工作面的來(lái)壓機(jī)理和頂板結(jié)構(gòu)尚需系統(tǒng)研究[5-6]。

文中在實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)物理模擬和數(shù)值計(jì)算模擬，掌握淺埋煤層大采高工作面等效直接頂破斷演化過(guò)程，揭示等效直接對(duì)老頂結(jié)構(gòu)變化和支架受力的影響，揭示大采高工作面來(lái)壓的機(jī)理，為確定合理的支架阻力提供理論依據(jù)。

1 不同采高的頂板結(jié)構(gòu)形態(tài)演化

以張家峁煤礦15201工作面為原型，工作面長(zhǎng)260 m，煤層傾角1°～3°.工作面平均埋深120 m，基巖厚度平均70 m，松散層厚度50m.研究不同采高上覆巖層所形成的結(jié)構(gòu)，選用1∶50的5 m平面模型，對(duì)采高為4，5，6，7 m共4種情況進(jìn)行對(duì)比模擬，地層參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 煤系地層物理力學(xué)參數(shù)

1.1 等效直接頂及頂板結(jié)構(gòu)演化

模擬研究表明，冒落帶高度隨采高的增大而增大。模擬實(shí)驗(yàn)得出，采高4 m時(shí)，冒落帶的高度為10 m，是采高的2.5倍；采高5 m時(shí)，冒落帶高度為15 m，是采高的3倍；采高6 m時(shí)，冒落帶高度為21 m，是采高的3.5倍；采高7 m時(shí)，冒落帶高度為26 m，是采高的3.7倍。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)一致，冒落帶高度隨采高的增大呈線(xiàn)性增大，巖層破斷角平均65°，如圖1所示。

圖1 冒落帶高度隨采高的變化曲線(xiàn)Fig.1 Curve of caving height vs.mining height

根據(jù)淺埋煤層大采高工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和相似模擬統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，由于一次性開(kāi)采厚度大幅加大，原直接頂（地質(zhì)直接頂[7-8]）遠(yuǎn)不能充填滿(mǎn)采空區(qū)，原下組老頂分層垮落后，不能形成鉸結(jié)結(jié)構(gòu)，處于冒落狀態(tài)，等效于直接頂作用?；诖蟛筛吖ぷ髅娓矌r結(jié)構(gòu)特性，大采高工作面直接頂應(yīng)該重新定義為：煤層至鉸接老頂巖層之間，不能形成結(jié)構(gòu)的冒落帶巖層稱(chēng)為等效直接頂（圖2）。

圖2 等效直接頂與高位臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)Fig.2 Equivalent immediate roof and high step voussoir beam structure

淺埋煤層大采高工作面開(kāi)采等效直接頂破斷過(guò)程如圖3所示，在正常回采期間地質(zhì)直接頂隨采隨垮，下部地質(zhì)老頂呈懸臂狀態(tài)，來(lái)壓時(shí)下組老頂破斷冒落，充填采空區(qū)。此刻，未垮落的下組老頂形成“高位臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)。隨工作面推進(jìn)，上組老頂鉸接形成“短砌體梁”結(jié)構(gòu)。

圖3 淺埋煤層大采高工作面頂板結(jié)構(gòu)演化Fig.3 Breaking cycle of equivalent immediate roof of large mining height face of nearly shallow seam

1.2 頂板結(jié)構(gòu)層位上移

隨著采高加大和等效直接頂變厚，頂板下組關(guān)鍵層鉸接結(jié)構(gòu)層位上移，整個(gè)鉸接結(jié)構(gòu)層厚度增大，并分為2組，如圖4所示。上組關(guān)鍵層形成的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，下組關(guān)鍵層形成厚等效直接頂之上的“高位臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)，共同組成雙關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)。

圖4 大采高工作面頂板雙組結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Roof dual structure model of large mining height face

由于大采高工作面存在2組結(jié)構(gòu)，工作面會(huì)出現(xiàn)大小周期來(lái)壓現(xiàn)象。下組關(guān)鍵層高位臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致小周期來(lái)壓；上組關(guān)鍵層短砌體梁結(jié)構(gòu)與下組臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)疊合作用，構(gòu)成大周期來(lái)壓。一般大周期來(lái)壓是小周期來(lái)壓步距的2倍。這種現(xiàn)象，已經(jīng)得到神府礦區(qū)三道溝和張家峁等煤礦的大采高工作面實(shí)測(cè)驗(yàn)證。

2 等效直接頂?shù)膸r層控制效應(yīng)

2.1 等效直接頂破壞特征

大采高工作面與普通采高的主要區(qū)別是具有3～4倍采高的等效直接頂。如此厚度的直接頂，其破斷運(yùn)動(dòng)必將對(duì)工作面支架載荷構(gòu)成新影響。通過(guò)統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)16個(gè)大采高工作面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)（圖5），隨采高增大，支架載荷總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但并非線(xiàn)性增大，大部分集中于12 000 kN/架以?xún)?nèi)。為此，采用數(shù)值計(jì)算，揭示直接頂?shù)钠茐倪^(guò)程和對(duì)工作面的載荷影響。

圖5 大采高工作面實(shí)測(cè)最大工作阻力Fig.5 Real maximum resistance of large mining height face

在同一地質(zhì)條件下，采高的變化將引起冒落帶高度和等效直接頂厚度的變化。模擬表明，采高4 m時(shí)，直接頂為拉破斷。采高5 m時(shí)，等效直接頂上部出現(xiàn)拉破斷，下部出現(xiàn)小范圍剪破壞。采高為6～7 m大采高時(shí)，等效直接頂?shù)钠茐木哂猩侠录舻奶卣鳎▓D6）。

圖6 來(lái)壓期間等效直接頂應(yīng)力分布Fig.6 Stress of equivalent immediate roof when weighting

2.2 等效直接頂承載性與來(lái)壓特點(diǎn)

根據(jù)上述分析，大采高工作面等效直接頂表現(xiàn)為上層位拉破斷、下層位剪破斷形態(tài)形。直接頂對(duì)支架載荷具有重要影響[9]，由于等效直接頂較厚，如果巖層具有較好的抗剪強(qiáng)度，則直接頂具有較高的承載能力。因此，大采高工作面會(huì)出現(xiàn)非來(lái)壓期間壓力并不大的現(xiàn)象。

如果直接頂強(qiáng)度低或支護(hù)阻力不足，直接頂破斷，由于厚直接頂?shù)淖灾刈饔茫瑒t會(huì)出現(xiàn)工作面持續(xù)處于較高阻力狀態(tài)。

為了防止直接頂破壞，要求及時(shí)提供足夠的支撐力。因此，要求大采高支架具有高初撐力和工作阻力，平衡直接頂自重和老頂結(jié)構(gòu)的載荷。

2.3 初撐力對(duì)等效直接頂?shù)目刂谱饔?/p>

模擬表明，提供一定的（大于7 200 kN/架）支護(hù)阻力后，等效直接頂受力環(huán)境明顯改善，上部拉應(yīng)力明顯減?。▓D7（b）），下部剪應(yīng)力也明顯減?。▓D7（d））。當(dāng)支護(hù)阻力從7 200 kN/架增加到9 600 kN/架時(shí)，應(yīng)力分布改變不大。因此，說(shuō)明支架阻力存在1個(gè)合理值。

若支架能提供足夠的初撐力，改善直接頂受力環(huán)境，可保持直接頂?shù)某休d能力。支架的初撐力至少應(yīng)大于直接頂重量。張家峁煤礦某工作面采高6 m，等效直接頂厚度20 m，直接頂平均懸伸長(zhǎng)度9 m，直接頂自重約7 560 kN（1.75 m寬）。工作面實(shí)際支架初撐力7 860 kN/架，額定工作阻力12 000 kN/架，使用效果良好。

3 大采高工作面頂板結(jié)構(gòu)分析

3.1 等效直接頂厚度的確定

大采高冒落帶高，等效直接頂厚度增大，對(duì)頂板結(jié)構(gòu)的形成和支架載荷具有重要影響，有必要對(duì)大采高直接頂厚度的確定進(jìn)行理論分析。

按照直接頂充滿(mǎn)采空區(qū)，考慮不同等效直接頂?shù)乃闈q系數(shù)，可求出大采高工作面等效直接頂最大厚度為

（1）

式中 ∑h為等效直接頂厚度，m；M為采高，m；KP為等效直接頂碎脹系數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出5 m以上大采高工作面一般可取1.285.

由此可得，大采高工作面等效直接頂厚度一般可按照采高的3.5倍估算，比普通采高工作面統(tǒng)計(jì)得出的3.3倍略大。

圖7 不同支護(hù)阻力應(yīng)力分布特征Fig.7 Distribution of stress of equivalent immediate roof of different support resistance

3.2 高位臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

根據(jù)物理模擬，下組關(guān)鍵層一般形成“高位臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)（圖8）。關(guān)鍵塊A的回轉(zhuǎn)受關(guān)鍵塊B的支撐，則B巖塊的下沉量為

W=M-（KP-1）∑h,

（2）

關(guān)鍵塊A的回轉(zhuǎn)角度與B塊的相對(duì)位置有關(guān)，B塊的位置取決于等效直接頂?shù)某涮畛潭取,B關(guān)鍵塊臺(tái)階落差d為

d=W-lsinθ,

（3）

式中d為臺(tái)階落差，m；W為B關(guān)鍵塊下沉量，m；l為關(guān)鍵塊長(zhǎng)度，m；θ為A關(guān)鍵塊轉(zhuǎn)角，（°）．

圖8 大采高工作面頂板結(jié)構(gòu)模型Fig.8 Roof structure of large mining height face

設(shè)關(guān)鍵塊上的載荷合力為P1，作用于巖塊中部，則有Qa+Qc=P1.結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵塊B落在垮落巖石上處于壓實(shí)狀態(tài)，Qc=0，則有

Qa≈P1.

（4）

取∑Ma=0，∑Mb=0，得鉸接點(diǎn)水平力

代入（2）和（3）可得

（5）

根據(jù)物理模擬實(shí)驗(yàn)，臺(tái)階巖梁關(guān)鍵塊的回轉(zhuǎn)角一般在5°以?xún)?nèi)，cosθ≈1，（5）式簡(jiǎn)化為

（6）

“臺(tái)階巖梁”失穩(wěn)狀態(tài)為滑落失穩(wěn)[10]，保持高位臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)滑落失穩(wěn)的條件為

Ttanφ≥Qa.

（7）

式中 tanφ為巖塊摩擦系數(shù)，可取0.5[11].

設(shè)關(guān)鍵塊塊度i=h/l，將（4）（6）式代入（7）式，可得“臺(tái)階巖梁”不發(fā)生滑落失穩(wěn)的簡(jiǎn)化條件為

（8）

由于sinθ很小，忽略不計(jì)，可簡(jiǎn)化為

i≤0.25+d/l.

（9）

若臺(tái)階為0～0.3 h，則塊度小于0.25～0.36時(shí)才不會(huì)出現(xiàn)滑落失穩(wěn)。

根據(jù)實(shí)測(cè)和物理模擬，大部分淺埋煤層頂板來(lái)壓步距為12 m，關(guān)鍵層厚度一般都在6 m以上，塊度i一般大于0.5，可見(jiàn)大采高臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)滑落失穩(wěn)，這是大采高工作面載荷較大的原因之一。因此，支架必須在承擔(dān)厚等效直接頂重量基礎(chǔ)上為臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)提供一定的阻力才能保持頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3.3 工作面支架載荷的確定

3.3.1 支架初撐力

大采高支架?chē)鷰r關(guān)系中，支架初撐力的作用是平衡直接頂?shù)妮d荷，使直接頂保持穩(wěn)定，限制其與老頂?shù)碾x層，由此支架初撐力應(yīng)當(dāng)大于等效直接頂重量。由圖8可得支架初撐力為

（10）

式中 P0為支架初撐力，kN/架；b為支架寬度，m；γ為直接頂巖層平均容重，kN/m3；β為直接頂破斷角，一般60°～70°；Lk為控頂距，m；∑h=3.5M為等效直接頂厚度，m.

如果直接頂容重γ=25kN/m3，等效直接頂厚度∑h=3.5M，控頂距Lk=5m，可得

PO≥（437.5+70M）bM,

（11）

若采高6.5m,支架寬度1.75m，計(jì)算得出支架初撐力需大于10 152kN/架。若采高7m，支架寬度2m，計(jì)算得出初撐力需大于12 985kN/架。

榆神礦區(qū)某礦6.5m大采高工作面，采用ZY12000/29/65D液壓支架，支架寬度1.75m，初撐力為10 390kN/架，額定工作阻力為12 000kN/架，工作面頂板控制效果良好。某礦7m大采高工作面，采用ZY16800/32/70液壓支架，初撐力為13 440kN/架，工作阻力達(dá)16 800kN/架，實(shí)現(xiàn)了對(duì)頂板的有效維護(hù)和工作面快速推進(jìn)。實(shí)踐表明，上述簡(jiǎn)化計(jì)算公式比較可靠。

3.3.2 支架工作阻力

根據(jù)前面的分析，高位臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)不能自穩(wěn)，需要支架提供一定的阻力才能保持穩(wěn)定，不出現(xiàn)滑落失穩(wěn)。因此，支架工作阻力不僅要承受直接頂?shù)闹亓?，而且要提供保持臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定所需的阻力。

根據(jù)（7）式，保持頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定所需的阻力P可按Ttanφ+P≥Qa計(jì)算，可得

P≥P1-Ttanφ,

（12）

考慮支架寬度，則支架額定工作阻力PZ為

PZ≥P0+bP.

（13）

如果按照6～7m大采高，考慮采空區(qū)充滿(mǎn)的條件，即∑h=3.5M，巖層垮落角按照65°計(jì)算，（13）式可簡(jiǎn)化為

PZ≥（3.5Lk+2.8M）bγM+（1+0.25i）bP1,

（14）

可見(jiàn)，支架載荷主要與采高、控頂距、支架寬度、關(guān)鍵塊的塊度、關(guān)鍵塊上覆載荷有關(guān)。

根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)（圖3（b）），“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊上的載荷為P1=γh1.代入γ=25kN/m3，Lk=5m，i=0.5，l=12m，可得

PZ≥（437.5+70M）bM+2 025b.

（15）

采高6.5m，支架寬度1.75m，由（15）式求得支架額定工作阻力為13 695kN/架。采高7m，支架寬度2m，可求得支架額定工作阻力為17 035kN/架。可見(jiàn)，額定工作阻力大致為初撐力的1.3倍，大采高支架載荷主要由直接頂重量構(gòu)成。目前，國(guó)內(nèi)采用的部分大采高液壓支架額定工作阻力為初撐力的1.15～1.20倍（表2），額定工作阻力偏低是工作面支架壓壞的基本原因。

表2 國(guó)內(nèi)采用的部分大采高支架參數(shù)

4 結(jié) 論

1）淺埋煤層大采高工作面，隨采高加大，下組關(guān)鍵層鉸接點(diǎn)上移，冒落帶高度增加，直接頂厚度增大，表現(xiàn)為“等效直接頂”。為此，提出將鉸接老頂之下至煤層間的冒落帶巖層，起直接頂作用的全部巖層稱(chēng)為等效直接頂；

2）淺埋煤層大采高綜采面頂板結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為雙關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)。工作面下組關(guān)鍵層垮落后不能形成穩(wěn)定的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為“高位臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)，上組關(guān)鍵層形成“短砌體梁”結(jié)構(gòu)。上組關(guān)鍵層破斷步距較大，一般為下組關(guān)鍵層的破斷步距的2倍。工作面會(huì)出現(xiàn)大、小周期來(lái)壓現(xiàn)象；

3）由于大采高工作面等效直接頂厚度較大，將直接影響支架載荷的大小。表現(xiàn)為正?；夭善陂g，支架載荷持續(xù)較大的現(xiàn)象。等效直接頂主要破斷形式為上部拉破壞下部剪破壞。厚等效直接頂具有較大的抗剪能力，如果在合理的支護(hù)下，直接頂不發(fā)生沿煤壁切斷，則支架的工作阻力會(huì)出現(xiàn)較小的狀況；

4）大采高工作面支架初撐力應(yīng)當(dāng)大于等效直接頂重量，防止直接頂與老頂離層。初撐力大小主要與采高有關(guān)，大采高工作面初撐力比較大，可采用給出的簡(jiǎn)化公式進(jìn)行計(jì)算，得到了實(shí)踐驗(yàn)證；

5）大采高工作面支架額定工作阻力主要由直接頂重量（初撐力）和維持老頂臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的附加力構(gòu)成。等效直接頂?shù)闹匾碱~定工作阻力的77%，額定工作阻力約為初撐力的1.3倍。

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我校成功申辦2018年第十一屆世界礦山通風(fēng)大會(huì)

西安科技大學(xué)成功申辦2018年第十一屆世界礦山通風(fēng)大會(huì)，世界礦山通風(fēng)大會(huì)是當(dāng)前礦山通風(fēng)領(lǐng)域涉及范圍最廣、與會(huì)專(zhuān)家學(xué)者最多的國(guó)際學(xué)術(shù)盛會(huì)之一，是世界各國(guó)礦山通風(fēng)專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行新技術(shù)、新觀念、新成果交流的重要平臺(tái)。2014年8月，第十屆世界礦山通風(fēng)大會(huì)在南非舉行，我校學(xué)術(shù)代表團(tuán)參加了大會(huì)。會(huì)上，校申辦組委會(huì)向大會(huì)提出申請(qǐng)承辦2018年第十一屆世界礦山通風(fēng)大會(huì)并獲批準(zhǔn)。 這次成功申辦突顯了國(guó)際礦山通風(fēng)學(xué)術(shù)界對(duì)我校相關(guān)學(xué)術(shù)水平的肯定，更是學(xué)校進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)科專(zhuān)業(yè)特色、提升學(xué)科建設(shè)水平、增進(jìn)國(guó)際交流與合作、開(kāi)闊學(xué)術(shù)視野的良好契機(jī)。

Research on equivalent immediate roof and roof structure of large mining height face

HUANG Qing-xiang，MA Long-tao，DONG Bo，SHEN Bin-he

（CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China）

Based on field measurement，simulation experiments and numerical calculation，the mechanism of immediate roof thickness increase and structure of overlying strata hinged point move up of large mining height face is explored，and the definition of ‘equivalent immediate roof’ is put forward.Study shows that the main roof structure has double layer structure.The lower key stratum has ‘high step voussoir beam’ structure and the upper key stratum has ‘short voussoir beam’ structure.There roof weighting will appear big and small periodic pressure phenomenon in shallow coal seam mining face.The breaking form of equivalent immediate roof is tension broken at its upper position and shear failure at its lower position.The weight of thick equivalent immediate roof is the main source of support load in the large mining height face.The initial supporting resistance of support should be greater than the weight of the equivalent immediate roof，and the working resistance of support is mainly composed of equivalent immediate roof weight，accounting for 77%，the rated resistance value is about 1.3 times of the initial support resistance.

large mining height；equivalent immediate roof；high step voussoir beam structure；support resistance；shallow coal seam

2015-05-10 責(zé)任編輯：劉 潔

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51174278）

黃慶享（1966-），男，新疆沙灣人，教授，E-mail:huangqx@xust.sn.cn

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0503

1672-9315（2015）05-0541-06

TD 323

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