（山西省太原市萬(wàn)柏林區(qū)西山高級(jí)技工學(xué)校 山西 030053）

煤礦開(kāi)采過(guò)程中，沖擊礦壓?jiǎn)栴}一直是影響煤礦安全開(kāi)采的重大問(wèn)題。煤礦開(kāi)采后不可避免的破壞了原本穩(wěn)定的煤巖體結(jié)構(gòu)，煤層厚度不同，回采工作面形成的煤巖體結(jié)構(gòu)不盡相同，不同結(jié)構(gòu)的煤巖體在回采后的危險(xiǎn)性也有所差別。隨著回采工作面的推進(jìn)，煤壁與液壓支架支柱中心距的增大，原本穩(wěn)定的煤巖體結(jié)構(gòu)受到內(nèi)部剪切力的作用，上覆煤巖體呈現(xiàn)破斷滑落失穩(wěn)的趨勢(shì)，當(dāng)作用在液壓支架上的載荷大于液壓支架的承載力時(shí)，煤巖體內(nèi)部壓力突然增大，當(dāng)沖擊礦壓峰值大于上覆煤巖體結(jié)構(gòu)的承載能力時(shí)，就發(fā)生了礦壓顯現(xiàn)或壓架事故[1]。本文以某礦15號(hào)煤層回采工作面為研究背景，分析了沖擊礦壓顯現(xiàn)的機(jī)理；通過(guò)分析該礦回采工作面的沖擊礦壓大小的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到該回采工作面的沖擊礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在15號(hào)煤層工作面回采過(guò)程中具有一定的實(shí)際意義。

1.研究背景

某礦15號(hào)煤層，煤層厚度最小值3.9m，最大值4.1m，平均厚度4m，屬于厚煤層，工作面煤層厚度變化不大，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；煤層傾角-2°-5°，為近水平煤層，該工作面內(nèi)無(wú)斷層、陷落柱等隱伏構(gòu)造發(fā)育，煤層賦存穩(wěn)定。煤層老頂為K2灰?guī)r，層理結(jié)構(gòu)，局部裂隙較發(fā)育，厚度變化不大；直接頂為泥質(zhì)灰?guī)r，黏土含量高，直接頂普式硬度6.3-10；老底為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，質(zhì)地較松軟，隔水效果好。該工作面的水害主要來(lái)自于老頂灰?guī)r巖溶裂隙含水層，充水形式為沿頂板巖石裂隙進(jìn)入礦井。地面標(biāo)高+1030m～+1150m，工作面標(biāo)高+752m～+770m，埋深260m-400m，工作面寬370m-405m，使用ZZ 6400/22/45型液壓支架，支架中心距1.5m，支撐高度2.2m-4.5m。

該工作面回采過(guò)程中頻繁發(fā)生礦壓顯現(xiàn)，周期來(lái)壓大小在4000kN-9000kN之間，嚴(yán)重影響回采安全，甚至發(fā)生壓架事故。本文以該礦15號(hào)煤層回采工作面為背景，研究該礦15號(hào)煤層回采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.礦壓顯現(xiàn)機(jī)理分析

某礦15號(hào)煤層雖然是厚煤層，但煤層平均厚度只有四米，工作面采空區(qū)上覆巖石運(yùn)動(dòng)空間小，巖石活動(dòng)相對(duì)較小，能形成穩(wěn)定的直接頂懸臂結(jié)構(gòu)和基本頂砌體梁結(jié)構(gòu)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)15號(hào)煤層開(kāi)采過(guò)程中礦壓觀測(cè)記錄，頂板離層量最大變化值為0mm，最小變化值為0mm，錨桿（索）壓力表最大變化值為0MP，最小變化值為0MP。因此將礦壓顯現(xiàn)力學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型如圖1[2]。

圖1 15號(hào)煤層礦壓顯現(xiàn)簡(jiǎn)化模型

(1)正?；夭呻A段

在正常回采過(guò)程中，液壓支架只承受上覆巖石的靜載荷，直接頂在回采過(guò)程中形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，基本頂在回采過(guò)程中形成砌體梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)沖擊地壓不顯現(xiàn)時(shí)，液壓支架只承受直接頂?shù)呢?fù)載，根據(jù)某礦15號(hào)煤層礦壓顯現(xiàn)簡(jiǎn)化模型得到液壓支架靜載荷的計(jì)算公式為：

式中：L為直接頂懸臂梁的長(zhǎng)度，m；h為直接頂厚度，m；RT為直接頂泥質(zhì)灰?guī)r的抗拉強(qiáng)度，MPa；q為直接頂懸臂梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的載荷，MPa。

式中：G為直接頂懸臂梁的自重，MPa；b為支架寬度，m。

式中：x為煤壁至懸臂梁中心的距離，m。

式中：FC為液壓支架需承擔(dān)懸臂梁作用力，kN；ld為支架頂梁長(zhǎng)度，m；k為相鄰支架前移后的設(shè)計(jì)系數(shù)，取值1.1-1.25；lr為煤壁至液壓支架立柱中心線的距離，m。

將上述公式（1）（2）（3）帶入公式（4）得到：

從公式（5）中可以發(fā)現(xiàn)，液壓支架需承擔(dān)的懸臂梁作用力，與懸臂梁的長(zhǎng)度、厚度成正比例關(guān)系；與支架頂梁長(zhǎng)度、支架寬度成正比例關(guān)系；與煤壁至液壓支架立柱中心線的距離成反比例關(guān)系。當(dāng)液壓支架需承擔(dān)的懸臂梁作用力超過(guò)液壓支架的支撐能力，則懸臂梁發(fā)生破斷，或者壓架事故，嚴(yán)重影響煤礦開(kāi)采安全。

(2)礦壓顯現(xiàn)階段

隨著回采工作面的不斷推進(jìn)，直接頂懸臂梁的長(zhǎng)度逐漸增大，懸臂梁呈現(xiàn)回轉(zhuǎn)破斷傾向，液壓支架承受的工作阻力逐漸增大，在煤巖體內(nèi)部，礦壓突然增大，當(dāng)沖擊礦壓峰值大于砌體梁的承載能力后，砌體梁呈現(xiàn)處破斷失穩(wěn)傾向，為了確保直接頂懸臂梁結(jié)構(gòu)和基本頂砌體梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，液壓支架需承擔(dān)兩部分的載荷：一部分用于防止砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，一部分用于維持懸臂梁結(jié)構(gòu)的完整行和穩(wěn)定性。此時(shí)，液壓支架需承擔(dān)作用力為：

式中：F為液壓支架需承擔(dān)作用力，kN；Fc為液壓支架需承擔(dān)懸臂梁作用力，kN；Fj為維持砌體梁結(jié)構(gòu)所需作用力，kN。

式中：l為周期來(lái)壓步距，m；φ為砌體梁內(nèi)巖石（K2灰?guī)r）的內(nèi)摩擦角，（°）；θ為砌體梁內(nèi)巖石（K2灰?guī)r）的破斷角，（°）；h為關(guān)鍵塊層高，m；s為關(guān)鍵塊下沉量，m；Q0為關(guān)鍵層自身及其上控制層的載荷，kN。

由上可得：

從上式可以得到，液壓支架維持砌體梁結(jié)構(gòu)所需的作用力與關(guān)鍵層自身及其上控制層的載荷成正比例關(guān)系；與支架寬度成正比例關(guān)系；與關(guān)鍵塊層高和關(guān)鍵塊下沉量之差成反比例關(guān)系；與砌體梁內(nèi)巖石的內(nèi)摩擦角和砌體梁內(nèi)巖石的破斷角的正弦值成正比例關(guān)系；與周期來(lái)壓步距成正比例關(guān)系。當(dāng)沖擊礦壓大于維持砌體梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定所需的作用力，則砌體梁發(fā)生失穩(wěn)破斷，砌體梁下的懸臂梁結(jié)構(gòu)受到剪切力的作用失穩(wěn)破斷，此時(shí)，從正常回采狀態(tài)下穩(wěn)定的“懸臂梁-砌體梁”結(jié)構(gòu)，變成沖擊礦壓顯現(xiàn)，懸臂梁剪切破斷后的“砌體梁”結(jié)構(gòu)[3]。

3.工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

某礦15號(hào)煤層，埋深260m-400m，工作面寬370m-405m，使用ZZ 6400/22/45型液壓支架，支架中心距1.5m，支撐高度2.2m-4.5m。在15號(hào)煤層回采過(guò)程中，通過(guò)對(duì)工作面的液壓支架工作阻力和沖擊礦壓的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，支架阻力和沖擊礦壓顯現(xiàn)頻次存在以下關(guān)系，如圖2。

圖2 15號(hào)煤層回采工作面沖擊礦壓大小

從圖2中可以得到，回采工作面周期來(lái)壓期間，液壓支架的工作壓力集中在回采工作面的中部出現(xiàn)三個(gè)峰值，峰值點(diǎn)分布在40-80號(hào)、110-160號(hào)、170-200號(hào)支架區(qū)間內(nèi)，三個(gè)支架區(qū)間同步來(lái)壓，說(shuō)明在與該工作面上述三個(gè)支架區(qū)間相對(duì)應(yīng)的煤巖體內(nèi)，沖擊礦壓數(shù)值較大，相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的上覆懸臂梁直接頂和砌體梁基本頂受到剪切力破斷失穩(wěn)的可能性相對(duì)更大，在這三個(gè)區(qū)域內(nèi)回采工作的安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)更大。

因此，根據(jù)上述分析，某礦15號(hào)煤層回采過(guò)程中，在40-80號(hào)、110-160號(hào)、170-200號(hào)支架區(qū)間內(nèi)選用相對(duì)較大支護(hù)強(qiáng)度的液壓支架，在沖擊礦壓峰值區(qū)域外，采用支護(hù)強(qiáng)度相對(duì)較小的液壓支架，對(duì)維持液壓支架上覆“懸臂梁-砌體梁”結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)充分發(fā)揮液壓支架的支護(hù)作用，科學(xué)合理的提高支護(hù)效率具有重要意義。

4.結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某礦15號(hào)煤層回采過(guò)程中回采工作面“懸臂梁-砌體梁”結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，統(tǒng)計(jì)分析了回采工作面沖擊礦壓大小和沖擊礦壓顯現(xiàn)頻次進(jìn)行分析，提出了一種充分發(fā)揮回采工作面液壓支架選型方案，具體結(jié)論有：

（1）煤層回采過(guò)程中，工作面形成“懸臂梁-砌體梁”結(jié)構(gòu)，當(dāng)正?；夭蓵r(shí)，液壓支架只承受直接頂?shù)呢?fù)載；當(dāng)沖擊礦壓顯現(xiàn)時(shí)，液壓支架需提供防止砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和維持懸臂梁結(jié)構(gòu)的完整性的工作阻力。

（2）某礦15號(hào)煤層回采工作面的沖擊礦壓大小呈“W”特征，在40-80號(hào)、110-160號(hào)、170-200號(hào)支架區(qū)間內(nèi)沖擊礦壓出現(xiàn)峰值。

（3）沖擊礦壓峰值所處的支架區(qū)間內(nèi)選用支護(hù)強(qiáng)度相對(duì)較大的液壓支架，在峰值所處的支架區(qū)間外選用支護(hù)強(qiáng)度相對(duì)較小的液壓支架，有利于科學(xué)合理的提高支護(hù)效率。