康　建

（西山煤電西曲礦通風(fēng)五隊，山西　古交　030200）

引言

為了有效減少工作面開采過程中冒頂、片幫以及壓架等安全事故的發(fā)生，我國學(xué)者對工作面頂板的運動規(guī)律和支承壓力的分布特征做出大量研究。武景云等[1]通過總結(jié)現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)值模擬軟件，對大傾角煤層頂板運動規(guī)律進行了分析和總結(jié)；王俊杰等[2]以鳳凰山礦實際地質(zhì)資料為背景，預(yù)測了堅硬頂板條件下頂板的斷裂特征和來壓步距，并在現(xiàn)場實踐中得到驗證；吳士良等[3]通過分析頂板的運動規(guī)律，建立結(jié)構(gòu)模型，確定了頂板與支架關(guān)系，為工作面支架選型提供了理論依據(jù)；朱守頌等[4]利用數(shù)值模擬軟件，對工作面超前支承壓力的分布規(guī)律進行了研究；趙軍榮等[5]研究了支承壓力分布規(guī)律與煤層傾角間的關(guān)系。本文根據(jù)西曲礦實際地質(zhì)資料，利用工程類比和理論計算的方法，對工作面頂板運動和支承壓力分布規(guī)律進行分析研究，為工作面的安全高效開采提供理論依據(jù)。

1　工程概況

西曲礦是山西焦煤集團的骨干礦井。18404工作面主采8號煤層，位于南四盤區(qū)北部，煤層厚度為2.60～4.25m，平均4.0m，工作面長度為220m。

工作面頂板巖性以石灰?guī)r為主，底板巖性以砂巖為主，其巖層柱狀圖如圖1所示。煤層傾角為3～12°，平均4°，為近水平煤層。

2　頂板運動規(guī)律研究

2.1　工程類比

通過統(tǒng)計西曲礦其他采區(qū)以及鄰近礦井工作面的老頂來壓情況，將結(jié)果整理為表1所示。

由表1可以看出，隨著采高的增加，工作面老頂來壓步距也隨之增加，18404工作面采高為

圖1　巖層柱狀圖

表1　不同采高來壓步距對比　m

2.60～4.25m，平均4.0m，由表1推測，其初次來壓步

距約為30～40m，周期來壓步距約為16～21m。

2.2　理論計算

2.2.1頂板運移規(guī)律

巖梁的初次來壓步距為：

巖梁的周期來壓步距為：

式中：Lc為初次來壓步距，m；Lz為周期來壓步距，m；h為巖層厚度，取6.37m；R為抗拉強度，取2.4MPa；為巖層容重，取26 kN/m3。

將數(shù)據(jù)代入式（1）、（2），可得Lc=34.29m，Lz=14.00m。

計算所得數(shù)據(jù)在表1工程類比范圍內(nèi)，說明理論分析結(jié)果基本準(zhǔn)確。

2.2.2動載系數(shù)

動載系數(shù)可以大致估算頂板的來壓強度，通過統(tǒng)計大量數(shù)據(jù)，動載系數(shù)的多因素回歸方程[6]為：式中：K為動載系數(shù)；Q為工作面長度，取220m；M為采高，取4.0m；其余符號與前相同?；貧w方程相關(guān)系數(shù)為0.88，說明相關(guān)性十分顯著。將數(shù)據(jù)代入式（3），可得動載系數(shù)K=1.56。

3　支承壓力分布規(guī)律

3.1　支承壓力峰值位置

支承壓力的峰值位置一般由式（4）表示

式中：E為支承壓力集中系數(shù)，取E=3；H為煤層埋深，取 210m；Cm為煤層的內(nèi)聚力，取 1.0MPa；φm為煤層內(nèi)摩擦角，取25°；γs位上覆巖層的平均容重，取0.025MN/m3；f為煤層與頂?shù)装宓哪Σ料禂?shù)，取f=0.3；Pi為工作面煤壁的支護強度，取0 MPa（采高不大，沒有護幫裝置）；ζ為三軸應(yīng)力系數(shù)，有ζ=

將數(shù)據(jù)代入，可得支承壓力峰值位置在距離煤壁3.66m處。

3.2　支承壓力作用范圍

支承壓力的作用范圍包括塑性區(qū)和彈性區(qū)兩部分。塑性區(qū)的寬度即為支承壓力的峰值位置，通過前面計算可知為3.66m；彈性區(qū)的寬度：

式中：G為彈性區(qū)寬度，m；β為側(cè)壓系數(shù)，工作面埋深約210m，可取β=1.4；其余符號含義與前面相同。將數(shù)據(jù)代入式（5），可得彈性區(qū)寬度為G=9.8m。

因此，工作面支承壓力的作用范圍x=3.66+9.8=13.46m。

4　結(jié)論

根據(jù)西曲礦18404工作面實際地質(zhì)條件，通過工程類比和理論計算，得到以下結(jié)論：

1）通過統(tǒng)計西曲礦及周邊礦井的工作面來壓步距，可知隨著采高的增加，工作面的初次來壓步距和周期來壓步距也隨之增加；

2）通過理論計算可知，西曲礦18404工作面的初次來壓步距為34.29m，周期來壓步距為14m，均處于工程類比所得范圍內(nèi)，說明理論計算結(jié)果較為準(zhǔn)確；

3）工作面超前支承壓力的峰值位置處于距離煤壁3.66m處，作用范圍為彈性區(qū)寬度和塑性區(qū)寬度之和，為13.46m。

對工作面的頂板運動規(guī)律和支承壓力分布特征作出預(yù)測，為礦井的安全高效生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

[1]武景云，黃萬朋，馬鵬鵬，等.大傾角煤層采場頂板運動與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].煤礦安全，2010，41（6）：6-9.

[2]王俊杰，趙磊磊.鳳凰山礦XV1304工作面石灰?guī)r堅硬頂板運動規(guī)律研究[J].煤炭工程，2014，46（11）：54-56；60.

[3]吳士良，劉思利.綜放工作面頂板運動規(guī)律及支架-圍巖關(guān)系研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2016，44（2）：104-108.

[4]朱守頌，姜光.工作面超前支承壓力分布規(guī)律研究[J].煤炭工程，2011（3）：97-98；101.

[5]趙軍榮，李男男.煤巖傾角對采場周邊支承壓力影響的數(shù)值模擬研究[J].煤炭工程，2016（S1）：90-92；97.

[6]邸帥，王繼仁，宋桂軍.8.5m采高綜采工作面頂板運動及支承壓力分布特征理論研究[J].煤炭學(xué)報，2017（9）：2 254-2 261.