劉 華 軍

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

1 工程概況

斜溝煤礦23110 綜放工作面使用綜采放頂煤工藝、自然垮落法的頂板管理方法，回采面長(zhǎng)240m、所采的13# 煤層均厚15m，平均傾角7.1°，回采時(shí)的機(jī)采高度4m。煤層直接頂炭質(zhì)泥巖均厚1m，基本頂細(xì)粒砂巖均厚7.4m；直接底巖性與直接頂相似，為較破碎的炭質(zhì)泥巖，均厚2.07m，基本底均厚9.25m，為灰黑色的泥巖。工作面共布置ZF13800/27/42 型液壓支架128 架，目前通過(guò)對(duì)23110 綜放工作面回采過(guò)程中來(lái)壓現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)支架在非來(lái)壓期間的平均工作阻力為7500kN，回采時(shí)周期來(lái)壓步距為12m，而支架在來(lái)壓期間的平均工作阻力可上升至15000kN，導(dǎo)致安全閥頻繁開(kāi)啟，并且觀察到來(lái)壓期間工作面頂板下沉量大， 存在壓架的安全隱患， 故需對(duì)ZF13800/27/42 型液壓支架的適應(yīng)性進(jìn)行研究。

2 頂板力學(xué)特征分析

圖1 大采高放頂煤覆巖結(jié)構(gòu)示意圖

煤層厚度達(dá)15m 的特厚煤層開(kāi)采時(shí)，工作面后方覆巖垮落空間大，因此覆巖垮落影響劇烈，并且由于斜溝煤礦特厚煤層采高達(dá)4.0m，使得一般采高下回采后覆巖中可形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的基本頂會(huì)成為隨采垮落的直接頂，更高位的堅(jiān)硬覆巖形成回采過(guò)后覆巖砌體梁結(jié)構(gòu)中的基本頂，如圖1 所示。當(dāng)工作面支架阻力達(dá)不到控制覆巖頂板下沉的要求時(shí)，直接頂下沉超過(guò)一定值后，會(huì)導(dǎo)致覆巖中懸臂梁的回轉(zhuǎn)下沉，使其承載能力降低，破壞砌體梁的完整性，工作面來(lái)壓時(shí)會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致砌體梁的滑落、失穩(wěn)，進(jìn)一步導(dǎo)致強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)，使工作面支架承受較高的工作阻力。

2.1 非來(lái)壓期間

綜放工作面在非來(lái)壓期間正常推進(jìn)時(shí)，工作面覆巖形成的多層懸臂梁的自重對(duì)工作面液壓支架產(chǎn)生作用力。

對(duì)于懸臂結(jié)構(gòu)[1-2]，第i 層單邊固定的懸臂梁長(zhǎng)度Li及自重Gi分別由式1、式2 計(jì)算得到：

式中：RTi為第i 層巖層的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；hi為第i 層巖層的厚度；qi為第i 層巖層形成懸臂梁上單位長(zhǎng)度所受載荷，MPa。

其中：b 為綜放工作面支架寬度，m。

工作面覆巖所形成懸臂梁重心與工作面煤壁距離不同時(shí)，產(chǎn)生的作用力也不同。第i 層單邊固定的懸臂梁重心與工作面煤壁之間的距離xi一般為該層懸臂梁長(zhǎng)度的一半，即架在多層覆巖懸臂梁作用下需承擔(dān)的作用力FC由式3 所得：

式中：hm為待放頂煤厚度，m；lr 為液壓支架立柱中心點(diǎn)與煤壁的距離，m；γm為待放頂煤平均容重，kN/m3；ld 為綜放支架頂梁的長(zhǎng)度，m；k 為相鄰支架前后挪動(dòng)距離系數(shù)，取1.2。

2.2 來(lái)壓期間

隨著工作面的持續(xù)回采，工作面覆巖形成的懸臂梁達(dá)到一定長(zhǎng)度后，會(huì)發(fā)生回轉(zhuǎn)、破斷，造成工作面來(lái)壓，而懸臂梁演化為砌體梁，因此，液壓支架在低位處提供等同于覆巖懸臂梁自重的阻力的同時(shí)，還應(yīng)在高位處保證支架對(duì)所形成的砌體梁有一定的支撐力[3]，防止覆巖產(chǎn)生的懸臂梁發(fā)生回轉(zhuǎn)時(shí)影響上層位砌體梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

對(duì)于砌體梁結(jié)構(gòu)[4]，工作面液壓支架回采過(guò)程中需維持砌體梁穩(wěn)定所提供的作用力Fj可由式4進(jìn)行計(jì)算：

式中：Q0為工作面覆巖關(guān)鍵層所控制巖層及其自身的載荷，kN；l 為回采中周期來(lái)壓步距，m；s 為回采過(guò)程中覆巖關(guān)鍵層下沉量，m；θ 為覆巖破斷角，°；h 為覆巖關(guān)鍵層厚度，m；φ 為覆巖巖塊間摩擦角，°。

綜上，可以得到大采高放頂煤工作面液壓支架所需工作阻力F 的計(jì)算公式式5：

若液壓支架所能提供的最大工作阻力也無(wú)法使砌體梁結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，砌體梁的滑落失穩(wěn)則一定會(huì)使懸臂巖梁發(fā)生剪破壞，在液壓支架頂梁長(zhǎng)度范圍內(nèi)發(fā)生剪破壞懸臂梁會(huì)施加載荷于支架，使支架承受較高的工作阻力。

3 支架工作阻力的確定

將斜溝煤礦23110 綜放工作面覆巖巖層的具體參數(shù)代入上述公式進(jìn)行23110 綜放工作面安全回采所需支架工作阻力的確定。

3.1 非來(lái)壓期間支架阻力計(jì)算

工作面正常推進(jìn)未受周期來(lái)壓影響時(shí)，其覆巖形成的懸臂梁為“倒臺(tái)階”結(jié)構(gòu)。23110 綜放工作面煤層上方各層巖層強(qiáng)度不同，致使覆巖在回采過(guò)后形成了多層懸臂梁組合結(jié)構(gòu)，且在該典型的" 倒臺(tái)階" 結(jié)構(gòu)中，由下至上的懸臂梁長(zhǎng)度逐漸增加，多層懸臂梁同頂煤一起施加載荷于支架。煤層直接頂炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度不高，但在跨落后形成較短的懸臂仍可對(duì)上方巖性更弱、層厚較小的泥巖與炭質(zhì)泥巖提供支撐力，形成了第一層“倒臺(tái)階”懸臂梁；同理該懸臂梁上方質(zhì)地較硬的粗砂巖和細(xì)砂巖會(huì)形成第二層、第三層“倒臺(tái)階”懸臂梁，如圖2 所示。

圖2 23110 工作面非來(lái)壓期間覆巖懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖

23110 綜放工作面待放頂煤厚為11.0m，平均容重為14kN/m3，液壓支架立柱中心點(diǎn)與煤壁的距離為3.8m，綜放支架頂梁的長(zhǎng)度為5.5m、寬1.75m，并將覆巖具體力學(xué)參數(shù)代入式3 計(jì)得出，在工作面非來(lái)壓正?；夭善陂g液壓支架受覆巖多層懸臂梁載荷作用所表現(xiàn)出來(lái)的工作阻力FC=7450kN。與該工作面非來(lái)壓回采過(guò)程中支架工作阻力的礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果相符，說(shuō)明所采用支架的工作阻力可滿足該工作面非來(lái)壓期間安全回采的要求。

3.2 來(lái)壓期間支架阻力計(jì)算

在工作面周期來(lái)壓期間，液壓支架所需工作阻力F 由承載上覆低位懸臂梁載荷和保持高位砌體梁穩(wěn)定情況下所需工作阻力兩部分組成，即F=FC+Fj。

23110 工作面覆巖中關(guān)鍵層的厚度為14.3m，現(xiàn)場(chǎng)回采過(guò)程中的礦壓監(jiān)測(cè)顯示，回采時(shí)的周期來(lái)壓步距為11.5m，回采過(guò)后關(guān)鍵層有3.5m 的下浮，覆巖各巖塊間平均摩擦角取45°，將上述參數(shù)代入公式即得到在工作面周期來(lái)壓期間可保證工作面安全回采的支架阻力為F=FC+Fj=7503+10476=17979kN。

若支架在工作面來(lái)壓期間所提供工作阻力達(dá)不到17979kN，就會(huì)導(dǎo)致覆巖砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及懸臂梁的剪切破壞，此時(shí)破斷的懸臂梁對(duì)支架的載荷此時(shí)工作面支架所受到的作用力將不小于Fj與Fz之和，即F≥Fj+Fz=21846kN。從而使支架承更高的工作阻力，產(chǎn)生壓架的安全隱患。

4 結(jié) 論

本文以斜溝煤礦23110 綜放工作面的回采作業(yè)為背景，通過(guò)對(duì)特厚煤層綜放工作面覆巖頂板來(lái)壓期間與非來(lái)壓期間的力學(xué)特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)由于特厚煤層工作面后方覆巖垮落空間大，導(dǎo)致回采過(guò)程中覆巖會(huì)形成下位“倒臺(tái)階”懸臂梁、上位砌體梁的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)理論計(jì)算得液壓支架的工作阻力高于17979kN 時(shí)，才能避免覆巖砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)滑落，保證斜溝煤礦23110 綜放工作面的安全回采，否則砌體梁結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)滑落會(huì)導(dǎo)致支架承受不低于21846kN 的工作阻力，增大壓架的風(fēng)險(xiǎn)。