梁紅瑞

(霍州煤電集團呂梁山煤電公司店坪煤礦, 山西 呂梁 033100)

1 前言

隨著煤礦資源開采深度的不斷加大，近水平、緩傾斜煤層的持續(xù)減少，為滿足工業(yè)生產(chǎn)及經(jīng)濟發(fā)展需求，深埋傾斜及急傾斜煤層的開采日益普及[1]。急傾斜煤層是世界采礦界一致承認的難采煤層，目前在相當(dāng)程度上還處于非機械開采階段，其生產(chǎn)條件較差，勞動強度大，采出率低，并伴有較大安全隱患，開采技術(shù)難度遠高于緩傾斜煤層[2-3]。如何在急傾斜煤層中推廣實施綜合機械化開采是亟待解決的難題[4]，究其緣由是因為煤層傾角過大會導(dǎo)致工作面液壓支架穩(wěn)定性降低，支架支護阻力不足，出現(xiàn)頂、幫片幫漏頂，頂梁接頂不實[5-6]，特別是當(dāng)工作面來壓時，更易出現(xiàn)支架搖擺、歪斜、倒架、壓死等情況[7]。鑒于此，本文研究在龐龐塔礦地質(zhì)力學(xué)環(huán)境下，急傾斜中厚煤層仰斜開采工作面液壓支架保持穩(wěn)定時支護阻力的分布規(guī)律及其相關(guān)影響因素，為合理優(yōu)化支架選型提供參考。

2 工程概況

龐龐塔礦井田面積13.263 9km2，井田平面形態(tài)基本呈一長方形，井田南北長約9km，東西寬約1.5km。礦井目前為“五進一回”中央分列式通風(fēng)方式，采用斜井立井混合開拓方式。主采煤層有兩層，厚度分別是6.1m和11.8m，煤層為單一傾斜式，傾角一般在36°～42°，局部可達到45°～63°，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，含有兩至三層夾矸，夾矸多是砂質(zhì)泥巖，厚度為0.10～0.25m。直接頂多為砂質(zhì)泥巖或泥巖，局部地段為粉砂巖或細粒砂巖，從直接頂?shù)交卷敒檐浫? 堅硬型，再向上是軟弱- 堅硬相間的平行復(fù)合結(jié)構(gòu)。直接底多為砂質(zhì)泥巖或炭質(zhì)泥巖，局部地段為粉砂巖或細粒砂巖。

3 保持支架穩(wěn)定的支護阻力

工作面使用支撐掩護式液壓支架[8]，支架在穩(wěn)定狀態(tài)下的受力情況如圖1所示。β為仰采傾角，θ為支架的瞬心夾角，支架頂梁末端o1與瞬心o之間的水平距離為L。假設(shè)頂板來壓時作用在頂梁上的力為一集中載荷Q，Q1和Q2分別是Q沿支架頂梁法向和切向的分力，Q1距o1的水平距離為S；P1、P2分別為支架前、后立柱的工作阻力，其距o1的水平距離分別為L1和L2；α1、α2分別為支架前、后立柱的傾角。由于是急傾斜煤層仰斜開采，在礦壓作用下上覆冒落巖層會被徹底地“甩入”采空區(qū)，故其作用在支架掩護梁上的壓力可忽略不計[9-10]。

圖1 支架穩(wěn)定時的受力情況

以整體為分析體，則

(L1+L)P1cosα1-P1sinα1Ltanθ+
P2cosα2(L2+L)+P2sinα2Ltanθ-
Q1(S+L)+Q2Ltanθ=0

(1)

取頂梁為分析體，即

(2)

又因為

Q1=Qcosβ

(3)

Q2=Qsinβ

(4)

其中，工作面初次來壓時，Q=KγHR初；周期來壓時，Q=0.5KγHR周，K為控頂距，γ為工作面上覆巖層平均容重，取25kN/m3，H為煤層埋深，R初和R周分別為頂板初次來壓步距和周期來壓步距。

再假設(shè)P1=P2=P，并把式(2)、(3)、(4)代入式(1)中，得支架支護阻力為

(5)

4 影響支架支護阻力的因素

由式(5)可知，急傾斜仰采工作面支架在穩(wěn)定情形下的支護阻力與開采技術(shù)條件(包括煤層埋深、基本頂初次來壓步距、工作面控頂距、仰采傾角)和支架結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括瞬心夾角、前后柱傾角)有關(guān)。根據(jù)龐龐塔礦主采煤層的實際情況，取其基本參數(shù)，見表1。為研究支護阻力隨某一參數(shù)的變化規(guī)律，即該參數(shù)對支護阻力的影響，可對該參數(shù)取一系列變化值，而其余參數(shù)仍按基本參數(shù)選取。

表1 基本參數(shù)

4.1 開采技術(shù)條件的影響

圖2 支護阻力與煤層埋深的關(guān)系

圖2、圖3和圖4所示分別為支架支護阻力隨煤層埋深、工作面來壓步距以及控頂距的變化而變化關(guān)系。深部煤層巖體的原巖應(yīng)力較大，開采活動引起的作用在支架上的基礎(chǔ)應(yīng)力自然也大；來壓步距，特別是初次來壓步距較大時，表明基本頂較硬不易垮落、頂板巖梁懸露較長，給工作面前方煤壁或工作面上覆巖層造成較大壓力，壓力通過直接頂傳遞給支架，從而帶動支架支護阻力的增加；為防止頂板來壓時工作面前方煤壁被切割，導(dǎo)致工作面與煤體分離的情況發(fā)生，有時會適度增大控頂距，雖然這有利于將壓力作用位置從煤壁引向采空區(qū)，但增大的作業(yè)空間也對支護強度提出了更高要求。此外，從圖中可知，埋深、來壓步距和控頂距每增加1m，支護阻力分別增加5kN、120kN和533.3kN，表明相比埋深和來壓步距，控頂距的變化對支架支護阻力的影響更為顯著，因此合理確定控頂距對提高支架穩(wěn)定性有重要意義。

圖3 支護阻力與初次來壓步距的關(guān)系

圖4 支護阻力與控頂距的關(guān)系

圖5所示為支護阻力隨仰采傾角的變化規(guī)律。由于是急傾斜煤層，當(dāng)仰采傾角從40°開始增大時，支架支護阻力呈線性規(guī)律減小，仰采傾角80°時，支護阻力降為零，傾角每增大1°，支護阻力減小562.5kN。這是因為大傾角仰采時工作面上覆巖層在重力作用下更易向采空區(qū)冒落，使頂板巖梁的懸露長度大大減小，從而明顯降低來壓強度，使維持支架穩(wěn)定的支護阻力顯著降低；尤其是傾角足夠大、巖層巖性軟時，工作面上覆巖層因擠壓形成高抗壓能力的平衡拱形結(jié)構(gòu)，或形成穩(wěn)定的拱形空穴，理論上使得巖層不再需要支架的支護，故支架上的壓力降為零。

圖5 支護阻力與仰采傾角的關(guān)系

4.2 支架結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

圖6 支護阻力與瞬心夾角的關(guān)系

支架支護阻力隨支架瞬心夾角的變化規(guī)律如圖6所示。可以看出，瞬心夾角增大，支護阻力呈冪指數(shù)關(guān)系減小，當(dāng)瞬心夾角為0°時，支撐掩護式支架可等效成支撐式支架，原先掩護梁對頂梁的支撐作用轉(zhuǎn)由支柱承擔(dān)，此時支護阻力最大；當(dāng)瞬心夾角增大，掩護梁的支撐作用逐漸顯現(xiàn)，支護阻力也就相應(yīng)地減小，直至夾角增至45°時支護阻力降為零，這表明從理論上講，若要使急傾斜仰采支架穩(wěn)定且支護阻力合理，可通過增大瞬心夾角的方法來實現(xiàn)，但夾角最大不能超過45°。圖7所示為支架阻力與支護傾角的關(guān)系，支架支護阻力隨支架前柱傾角的增加呈冪指數(shù)關(guān)系增大；隨支架后柱傾角的增加先減小后增大，當(dāng)后柱傾角為12°時，支護阻力最小。當(dāng)前、后柱傾角小于11°時，后柱支護阻力大于前柱支護阻力；當(dāng)前、后柱傾角大于11°時，后柱支護阻力小于前柱支護阻力，且前、后柱傾角大于30°時，支護阻力均明顯增大?？梢姡瑥闹ёo成本的角度考慮支柱的傾角是不宜過大的。

圖7 支護阻力與支柱傾角的關(guān)系

5 結(jié)論

通過理論分析龐龐塔煤礦急傾斜中厚煤層工作面液壓支架受力特征，得出以下結(jié)論：

(1)支架支護阻力與煤層埋深、工作面初次來壓步距及控頂距成正比例關(guān)系，與仰采傾角成反比例關(guān)系，其中控頂距為最顯著的影響因素。

(2)支架支護阻力與支架瞬心夾角呈冪指數(shù)關(guān)系減小，與支柱傾角呈冪指數(shù)關(guān)系增大，其中前柱支護阻力的增速明顯大于后柱支護阻力的增速。

(3)經(jīng)綜合分析發(fā)現(xiàn)，支架前、后柱傾角及瞬心夾角均取12°時，保持支架穩(wěn)定所需的支護阻力最小。