張 鵬

（中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，北京 102400）

1 地質(zhì)及工作面概況

中煤大同塔山煤礦原為國投塔山煤礦。礦井主采煤層為2號煤層和3-5號煤層。2號煤層平均厚度3 m，頂板巖性多為粉、砂巖、中、粗砂巖，有時(shí)為炭質(zhì)泥巖、高嶺質(zhì)泥巖，底板為粉砂巖、高嶺質(zhì)泥巖。3-5號煤層位于2號煤層下部，平均厚度17.93 m，煤層頂板有偽頂、直接頂、老頂。偽頂區(qū)域內(nèi)零散分布，巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖，厚度0.2 m～0.5 m；直接頂巖性為炭質(zhì)泥巖、高嶺質(zhì)泥巖，厚度為3 m ～5 m；老頂巖性為中粗粒砂巖，厚度為6 m～15 m。底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度為0.8 m～3.20 m。

3-5號煤與2號煤的間距1.55 m～6.67 m，平均為4.35 m。

2號煤層在2015年已采完，現(xiàn)已完成開采3-5號煤層的30501工作面，正在進(jìn)行開采30509工作面， 2018年五月份 30509工作面開采完畢。這2個(gè)3-5號煤工作面上方?jīng)]有2號煤的殘留煤柱。

2018年開始開采3-5號煤的30515工作面。30515工作面上方具有2號煤層的煤柱，寬度為30 m。具體如圖1所示，研究分析上方煤柱對近距離特厚煤層開采過程中的影響，選型確定煤柱下方工作面液壓支架的合理工作阻力，是該項(xiàng)目的主要研究內(nèi)容。

圖1 30515工作面概況

2 工作面頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律

在綜采放頂煤開采過程中，頂板煤層的垮落是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，直接頂垮落的厚度以及上覆巖層的穩(wěn)定性受到采空區(qū)充填情況的影響。 放煤初期，頂煤放出率較低，未冒頂煤與已冒頂煤間形成“煤—煤”結(jié)構(gòu)。 隨著頂板煤放出，采空區(qū)形成未下落巖層與已下落矸石擠壓，“巖—矸”結(jié)構(gòu)型[1]。

當(dāng)頂煤比正常情況下超前冒落時(shí)，直接頂巖層也出現(xiàn)超前冒落，直接頂?shù)暮穸炔蛔儭?/p>

超前煤壁的高位老頂巖梁的斷裂失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，即超前煤壁的高位老頂巖層端部斷裂高位老頂巖梁沉降并形成平衡結(jié)構(gòu)—高位老頂巖梁平衡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)沉降—高位老頂巖梁采空區(qū)側(cè)端部觸矸[2]。當(dāng)上部為采空區(qū)條件時(shí)，受上部2號煤層開采的影響，上覆巖層則經(jīng)歷了二次采動(dòng)影響，老頂巖層已發(fā)生損傷破壞，積聚釋放能量減少。因此，采空區(qū)下的壓力顯現(xiàn)要比煤柱下壓力顯現(xiàn)相對要小。

上部采空區(qū)集中煤柱具有支撐上覆頂板巖層的能力，受2#煤層集中煤柱的影響，回風(fēng)巷一側(cè)采空區(qū)充填程度較好，老頂下位巖梁觸矸沉降值較小。 膠帶巷一側(cè)為實(shí)體煤。因此，工作面兩端頭頂板巖層下沉運(yùn)動(dòng)不一致。 低位老頂巖梁與高位老頂巖梁相互疊加，形成了上部集中煤柱“內(nèi)錯(cuò)”工作面的頂板結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 一側(cè)采空綜放工作面傾向剖面

3 30515工作面頂板壓力理論計(jì)算

3.1 采空區(qū)下工作面頂板壓力計(jì)算

巖重法計(jì)算 計(jì)算公式[3]：

式中：P—支架工作阻力，kN。

P0—頂煤重量，kN。

P1—垮落帶巖層重量，kN。

η—支架的支護(hù)效率，取85%。

其中頂煤重量：

P0=γhLaL0

式中：γ—煤層平均體積力，據(jù)實(shí)驗(yàn)取平均值14.6 kN/m3。

h—頂煤厚度，取13.93 m。

La—支架中心距，取1.75 m。

L0—支架控制頂梁長度，取最大控頂距6.2 m。

計(jì)算得P0=14.6×13.93×1.75×6.2=220665kN。根據(jù)垮落帶高度計(jì)算公式

H=h1+h2+h3

式中：H—垮落帶高度。

h1—偽頂厚度，取1.87m。

h2—直接頂厚度，取14.79m。

h3—老頂厚度，取15.19m。

計(jì)算得頂板垮落帶高度為：

H=15.19+14.79+1.87=31.85 m。

垮落帶巖重：

P1=29.2×31.85×1.75×6.2=10090.7kN

在采放高度17.93 m條件下，所需支架工作阻力為：

結(jié)論：采空區(qū)下，現(xiàn)有15 000 kN支架能滿足對頂煤和直接頂巖層的支撐需要。

3.2 順向煤柱下工作面頂板壓力計(jì)算

30515工作面煤柱下面開采時(shí)，由中煤塔山煤礦3-5號煤柱狀圖可以看出，在3-5號煤層上方，存在一層厚度為50 m、硬度較大的粉砂巖。該粉砂巖是上覆巖層的關(guān)鍵塊體，其對工作面礦壓有直接顯著的影響[4]。

由于3-5號煤層厚度為17.9 m，厚度較大，首先應(yīng)該判定關(guān)鍵塊體斷裂后是否會(huì)出現(xiàn)滑落失穩(wěn)，能不能形成穩(wěn)定的構(gòu)造，根據(jù)公式:

取自錢鳴高的砌體梁理論公式[5]。

式中：h—關(guān)鍵巖石厚度，m。

h1—承載層巖層的厚度，m。

θ—關(guān)鍵巖體的回轉(zhuǎn)角，°。

φ—巖石的內(nèi)摩擦角，°。

ρ— 巖體的密度，t/m3。

回轉(zhuǎn)角θ的計(jì)算由式如下：

式中：s— 關(guān)鍵巖體的最大下沉量，m。

l— 周期來壓步距，m。

式中：S—關(guān)鍵巖體的最大下沉量，m。

h—關(guān)鍵巖塊厚度，m。

M— 煤層厚度，m。

M1— 采煤厚度，m。

K1— 頂煤厚度放出比率。

K2— 頂煤膨脹系數(shù)。

K— 上覆巖層冒落碎脹系數(shù)。

根據(jù)中煤塔山綜放面的實(shí)際情況以及以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值：h取值50 m，h1取值7 m，取值30 MPa，φ取值33°，ρ取值2.5 t/m3，l取值16.45 m，M取值17.94 m，M1取值10 m，K1取0.8，K2取1.1，K取1.3。帶入以上公式，計(jì)算可得S=12 mθ=35.5°，h+h1=57 m。

由此可得，計(jì)算結(jié)果并不滿足關(guān)鍵巖體穩(wěn)定的公式要求，關(guān)鍵巖體結(jié)構(gòu)會(huì)滑落失穩(wěn)，無法形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)。

根據(jù)靳鐘銘[6]教授《放頂煤開采理論與技術(shù)》的結(jié)論分析：頂煤在中硬以下，此時(shí)如果直接頂較薄，會(huì)導(dǎo)致基本頂分層垮落，當(dāng)老塘采空區(qū)的殘存空間大于基本頂垮落厚度時(shí)，上覆的關(guān)鍵巖體破裂，較難形成鉸接的平衡結(jié)構(gòu)，容易形成搭橋式的傳遞巖梁結(jié)構(gòu)，形成的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 30515工作面順向煤柱下開采覆巖結(jié)構(gòu)

圖3中：M— 煤層厚度，m。

M1— 采煤厚度，m。

Σh—直接頂巖層厚度，m。

h—老頂巖層厚度，m。

Q—關(guān)鍵巖體的重力，kN。

此時(shí)，支架上被施架傳遞巖梁的載荷，近似為

式中：Q—關(guān)鍵巖體的重力，kN。

l— 周期來壓步距，m。

l1— 控頂距離，m。

h— 關(guān)鍵塊體的一次垮落厚度，m。

由此估算支架支護(hù)強(qiáng)度為P4：

式中：M1—放煤厚度，m。

γ1—巖層平均體積力，kN/m3。

γ—煤層平均體積力， kN/m3。

Σh—直接頂巖層厚度，m。

同時(shí)，由于更高位的巖層垮落失去穩(wěn)定時(shí)，可能會(huì)對工作面產(chǎn)生一定的影響，因此支架的動(dòng)載荷[7]。P5計(jì)算時(shí)應(yīng)該乘以附加載荷系數(shù)K。

所以，可以推出支架合理的工作阻力Z2為：

Z2=P5l1B（B為支架寬度）。

根據(jù)30515綜放面實(shí)際情況及以往經(jīng)驗(yàn)取值：M1為10 m，h取8 m，取14 m，l為20 m，l1為6 m，為29.2 kN/m3，B取1.75 m，K取1.1～1.2。

將以上數(shù)據(jù)代入公式

計(jì)算P4=1 410 kN/m2，Z2=16 285 kN～17 766 kN。

4 工程類比

4.1 同煤塔山煤礦8103工作面頂板壓力情況

正常開采時(shí)：9 000 kN～12 000 kN。

周期來壓時(shí)：13 000 kN～17 500 kN。

來動(dòng)壓時(shí)：將達(dá)到17 500 kN～23 000 kN。

推進(jìn)時(shí)支架工作阻力變化如圖4所示。

圖4 推進(jìn)時(shí)支架工作阻力變化

4.2 中煤塔山煤礦30501工作面頂板壓力情況

選 取3#、6#、9#、33#、36#、39#、63#、66#、69#液壓支架的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見表1～表3。數(shù)據(jù)時(shí)間：2015年8月3日～10月16日，工作面推進(jìn)，220 m。初次來時(shí)期，支架的平均工作阻力為28.8 MPa～31.9 MPa，為支架額定工作阻力數(shù)值的78.1%～86.5%；初次來壓時(shí)期，工作面支架的工作阻力相比額定工作阻力，富余較大，來壓情況正常。

表1 上部采區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)

表2 中部采區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)

表3 下部采區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)

總體來看，除了局部地點(diǎn)支架有超出額定工作阻力的現(xiàn)象之外，其余大部分的支架在初次來壓期間基本保持了正常的工作阻力狀態(tài)。受2號煤重復(fù)采動(dòng)的影響，工作面來壓步距離分性比較突出，并且工作面內(nèi)各區(qū)段支架來壓步距差別較多，并未出現(xiàn)出較為規(guī)律的統(tǒng)一來壓步距[8]。

5 結(jié)論

采空區(qū)下開采時(shí)：現(xiàn)有ZF15000/27.5/42D支架能夠滿足頂板控制需要。

順向煤柱下開采時(shí)：頂板作用力具有動(dòng)態(tài)失穩(wěn)和下沉失穩(wěn)的動(dòng)態(tài)特征，將對液壓支架產(chǎn)生較大的影響。需要采取相關(guān)技術(shù)措施，如增大工作阻力[9]。

構(gòu)造、破碎帶等條件時(shí)，老頂巖梁不穩(wěn)定，也易形成較大壓力。

按照30501工作面頂板壓力理論計(jì)算，特殊條件下頂板作用力為16 285 kN～17 766 kN，現(xiàn)有的ZF15000/27.5/42D型支架不能滿足頂板控制需要。

因此，推薦順向煤柱下的30515工作面采用ZF18000/27.5/42D型液壓支架。相比于原ZF15000/27.5/42D型支架，新型支架立柱、千斤頂以及結(jié)構(gòu)件外形未改變，立柱安全閥調(diào)定壓力由36.86 MPa提高到了44.2 MPa，立柱、結(jié)構(gòu)件的材料強(qiáng)度做相應(yīng)提高。新支架與舊支架具有較好的通用性，可組合在同一工作面使用。