李佳杰

（陽(yáng)煤集團(tuán)壽陽(yáng)開元礦業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 壽陽(yáng) 045400）

引言

要實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)頂板有效控制，關(guān)鍵在于工作面支架—圍巖協(xié)同關(guān)系的建立[1]。淺埋煤層條件下的大采高工作面控制效果、液壓支架的合理工作阻力與覆巖運(yùn)移規(guī)律和采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律是否協(xié)調(diào)，對(duì)工作面的頂板控制及回采效率存在極大的影響[2]。

我國(guó)眾多學(xué)者在此研究領(lǐng)域作出了大量突出貢獻(xiàn)，比如：宋選民、顧鐵鳳等[3]通過對(duì)上灣煤礦的試驗(yàn)及觀測(cè)研究，發(fā)現(xiàn)大采高超長(zhǎng)工作面來壓步距減小，周期來壓顯現(xiàn)強(qiáng)度趨于緩和等淺埋大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律；范志忠、任勇等[4]通過研究發(fā)現(xiàn)淺埋大采高綜放開采煤柱，受采動(dòng)影響，應(yīng)力呈不對(duì)稱馬鞍形分布，位于采空區(qū)側(cè)的應(yīng)力集中系數(shù)偏大；張宏偉、周坤友[5]等通過對(duì)淺埋大采高工作面礦壓分布規(guī)律研究，確定了大采高液壓支架的合理選型。

綜合前人研究，基于懸臂梁理論模型，對(duì)某礦大采高工作面的液壓支架進(jìn)行選型，通過理論分析與計(jì)算支架的安全工作阻力范圍，并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證支架的適用性。

1 工程背景

山西省某煤礦年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為300 Mt/a，目前主采10號(hào)煤層，作為該煤層的首采工作面，平均埋深140 m，基載比小，屬于淺埋煤層條件。工作面長(zhǎng)200 m，推進(jìn)長(zhǎng)度800 m，煤層平均厚度（含夾矸）為4.2 m。煤層構(gòu)造簡(jiǎn)單，內(nèi)含兩層0.3～0.5 m的泥巖夾矸。煤層直接頂由均厚8.5 m的泥巖、砂質(zhì)泥巖組成，煤層老頂由均厚19.8 m的細(xì)砂巖、粗砂巖和粉砂巖共同組成。煤層底板由均厚10.7 m的泥巖構(gòu)成。根據(jù)煤礦現(xiàn)有采煤機(jī)及配套設(shè)備，工作面采用一次采全厚采煤工藝，采高4.2 m。按照工程對(duì)比法，根據(jù)相鄰礦井已有工作面液壓支架參數(shù)，初步?jīng)Q定采用ZY8000-26/56D型四柱支撐掩護(hù)式液壓支架，支架主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 ZY8000/26/56D型液壓支架技術(shù)參數(shù)

2 工作面覆巖力學(xué)參數(shù)的計(jì)算

為校核淺埋大采高液壓支架參數(shù)合理與否，應(yīng)對(duì)采場(chǎng)頂板的覆巖結(jié)構(gòu)及工作面來壓步距進(jìn)行計(jì)算[6]。

2.1 覆巖結(jié)構(gòu)參數(shù)

1）直接頂位于煤層上方，煤炭采出后形成采空區(qū)，由于自身巖重和上覆原巖應(yīng)力的作用，由多層不穩(wěn)定巖層組成的直接頂跨落充填空區(qū)，直接頂總厚度為∑Mz，可由式（1）確定：

式中：h為采高，5.0 m；Sz為老頂自由活動(dòng)量，Sz=（0.1～0.3）h；Ka為直接頂巖石碎脹性系數(shù)，取 1.60。代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算得，直接頂總厚度為7.0～7.5 m，由工作面地質(zhì)資料可知，工作面直接頂由泥巖和泥質(zhì)砂巖組成，巖層平均厚度為8.5 m。

2）基本頂總厚度∑Mj可根據(jù)基本周期來壓規(guī)律確定，以式（2）表達(dá)：

式中：Lmin為工作面支架最小控頂距離，7.05 m；Qt為為頂板周期來壓，取1.0 MPa；F為支架所受直接頂壓力，經(jīng)測(cè)量為0.8 MPa；γj為基本頂巖層巖石容重，取24 kN/m3；c為基本頂來壓步距，取12 m。代入相關(guān)參數(shù)，計(jì)算得基本頂總厚度∑Mj為10.4 m，由工作面地質(zhì)資料可知，工作面基本頂由細(xì)砂巖和粗砂巖組成，巖層厚度為10.4 m。

由上述計(jì)算結(jié)果可知，液壓支架上覆載荷由0.5m的余煤、直接頂?shù)淖灾睾突卷斪灾禺a(chǎn)生的力矩效果三部分構(gòu)成。在載荷的作用下，液壓支架響應(yīng)力學(xué)作用，作出反饋動(dòng)作，從而形成圍巖—支架的相互作用，見圖1。

圖1 圍巖—支架協(xié)同作用力學(xué)模型

2.2 工作面礦壓規(guī)律

1）計(jì)算工作面初次來壓步距L1時(shí)，當(dāng)圍巖體尚未受到采掘擾動(dòng)破壞，假設(shè)工作面上覆基本頂為固定梁結(jié)構(gòu)，則工作面初次來壓步距以式（3）表達(dá)：

式中：hj為基本頂巖層厚度，取10.4 m；σj為基本頂抗拉強(qiáng)度，4 500 kPa；qj為基本頂載荷，254.8 kN/m。代入相關(guān)參數(shù)，計(jì)算式（3）得工作面初次來壓步距L1為61.81 m。

2）受采動(dòng)影響，當(dāng)基本頂初次垮落后，假設(shè)工作面上覆基本頂為懸臂梁結(jié)構(gòu)，則工作面周期來壓步距Lt以式（4）表達(dá)：

代入相關(guān)參數(shù)，計(jì)算式（4）的工作面周期來壓步距Lt為 25.23 m。

3 液壓支架適用性的監(jiān)測(cè)

為了檢驗(yàn)ZY8000-26/56D型液壓支架在淺埋大采高工作面的適用效果，對(duì)液壓支架的受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)方案如下：在該礦的首采大采高工作面布置125臺(tái)液壓支架，分別在工作面的前中后布置測(cè)站，每個(gè)測(cè)站由4個(gè)測(cè)點(diǎn)組成，測(cè)點(diǎn)分別布置于23號(hào)、24號(hào)、25號(hào)、26號(hào)、63號(hào)、64號(hào)、65號(hào)、66號(hào)、105號(hào)、106號(hào)、107號(hào)、108號(hào)和109號(hào)液壓支架，對(duì)液壓支架的初撐階段和恒阻階段的受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)時(shí)間為60 d，工作面推進(jìn)160 m。受篇幅限制，以中部支架的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例對(duì)工作面礦壓分布規(guī)律展開分析，中部支架礦壓分布規(guī)律見圖2。

圖2 中部支架礦壓分布規(guī)律

由圖2可知，中部四臺(tái)支架的工作阻力曲線大致一樣，工作面推進(jìn)至60 m左右，工作面礦壓規(guī)律表現(xiàn)為初次來壓，此時(shí)，液壓支架工作阻力為7428 kN。隨后每隔25 m左右，工作面礦壓規(guī)律表現(xiàn)為周期來壓，液壓支架的最大工作阻力為7 768 kN，是ZY8000-26/56D液壓支架的額定工作阻力的97.1%。說明，支架的性能達(dá)到了液壓支架正常工作時(shí)對(duì)頂板的控制標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，工作面各支架的初撐力實(shí)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 工作面支架初撐力監(jiān)測(cè)圖

由圖3可知，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的工作面支架的實(shí)際初撐力均達(dá)不到ZY8000/26/56D液壓支架的額定初撐力，初撐力范圍為 5 400～6 000 kN（90%～100%額定初撐力）的液壓支架有25臺(tái)，占20.0%；初撐力范圍為4 800～5 400 kN（80%～90%額定初撐力）的液壓支架有76臺(tái)，占60.8%；初撐力范圍為5 400～6 000 kN（70%～80%額定初撐力）的液壓支架有24臺(tái)，占19.2%。說明有80.8%的液壓支架初撐力滿足設(shè)計(jì)要求，但是仍有少部分液壓支架未達(dá)到初撐力設(shè)計(jì)要求，容易造成頂板離層破碎，使支撐能力喪失，為避免該類安全隱患的產(chǎn)生，應(yīng)采取升柱過程中對(duì)立柱進(jìn)行一定程度的補(bǔ)液、采用增壓裝置提升初撐力和獨(dú)立提供液壓油等措施，以提高液壓支架初撐力。

結(jié)合覆巖結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：

1）工作面頂板初次來壓步距的計(jì)算結(jié)果為61.81m，周期來壓步距的計(jì)算結(jié)果為25.23 m，與現(xiàn)場(chǎng)初次來壓和周期來壓步距的監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合；

2）支架的額定工作阻力為8 000 kN，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明大部分液壓支架的工作阻力基本滿足工作面回采中的控制要求；

3）中部支架的所承擔(dān)載荷高于機(jī)頭和機(jī)尾處的液壓支架；

4）在液壓支架的初撐階段，必須采取一定的措施，保證液壓支架提供足夠的初撐力。

4 液壓支架適用性效果

自ZY8000-26/56D型液壓支架在淺埋大采高首采工作面使用以來，該型號(hào)液壓支架能較好滿足回采過程中上覆巖層對(duì)頂板的力學(xué)強(qiáng)度要求，在回采期間的來壓，頂?shù)装逡平枯^??；非回采期間，初次來壓和周期來壓時(shí)期，在工作面長(zhǎng)度范圍內(nèi)，頂板控制效果良好，頂板破碎度控制在10%以內(nèi)，平均下沉量?jī)H為185 mm，避免了壓架的安全隱患。說明該型號(hào)液壓支架對(duì)該礦淺埋大采高開采條件適用性較高，有利于安全高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)。

5 結(jié)論

1）該礦首采工作面的初次來壓和周期來壓計(jì)算結(jié)果分別為61.81 m和25.23 m，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果相符；

2）ZY8000-26/56D型液壓支架經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，支架的工作阻力全部滿足設(shè)計(jì)要求，80.8%的液壓支架初撐力滿足設(shè)計(jì)要求，在液壓支架的初撐階段，應(yīng)采取一定的措施提高初撐力，保證頂板安全；

3）采用ZY8000-26/56D型液壓支架后，頂板破碎度控制在10%以內(nèi)，平均頂板下沉量185 mm，頂板控制良好。此研究證明了ZY8000-26/56D型液壓支架的適用性較好。