丁國利，魯喜輝，武少國，劉永強(qiáng)

（中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司葫蘆素煤礦， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010）

0 引 言

隨著我國煤礦綜合機(jī)械化水平不斷發(fā)展，單產(chǎn)單進(jìn)水平逐步提升［1］，蒙陜地區(qū)淺部煤炭資源日漸枯竭，礦井由淺表開采逐步向深部開采轉(zhuǎn)移。 礦井開采由淺入深，工作面及兩巷礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度產(chǎn)生了量與質(zhì)的不同［2-4］，許多專家、學(xué)者對采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及液壓支架適應(yīng)性做了大量研究，有的從礦壓規(guī)律方面著手，通過理論計算、數(shù)值模擬等方式對工作面長度、埋深等條件下的采場礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行了對比研究［5-7］，有的基于特定地質(zhì)條件下采場礦壓顯現(xiàn)特征，對綜采面液壓支架適應(yīng)性做了大量研究，也取得了很多有價值的成果。 潘岳等［8］對周期來壓前超前隆起分布荷載進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出覆巖載荷與支架支撐力作用條件下的頂板靜力撓度方程，并計算出周期來壓條件下堅硬頂板的彎矩和撓度；靳鐘鳴［9］對大量實踐數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，提出了堅硬頂板彈性懸梁模型，進(jìn)而得到支架-圍巖力學(xué)體系的內(nèi)在聯(lián)系，根據(jù)懸梁結(jié)構(gòu)對來壓前巖體下沉加速和反彈現(xiàn)象等力學(xué)特性進(jìn)行解釋，并在現(xiàn)場進(jìn)行了來壓預(yù)報實踐；劉寶珠等［10］針對綜放采場礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行了研究，得出工作面傾向上基本頂來壓具有明顯的不一致性；秦忠誠等［11］對特定背景下現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行了觀測，并基于大量實測數(shù)據(jù)對該條件下支架適應(yīng)性進(jìn)行了分析，得出支架阻力合理區(qū)間。 許多專家、學(xué)者對超長工作面礦壓規(guī)律進(jìn)行了研究，但未進(jìn)行典型高壓區(qū)域特征劃分。 筆者以葫蘆素煤礦21102 工作面為工程背景，通過采用礦壓理論計算、現(xiàn)場動態(tài)實時監(jiān)測和KJ21 軟件分析等多種手段相結(jié)合對液壓支架的工作阻力、工作面周期來壓及超前支承壓力的變化規(guī)律進(jìn)行了分析研究，并對當(dāng)前工作面液壓支架的工作強(qiáng)度進(jìn)行了有效驗算，提出了適于蒙陜地區(qū)類似煤層賦存條件下的液壓支架合理工作阻力區(qū)間。

1 工程概況

葫蘆素煤礦是蒙陜地區(qū)第1 批采深大于600 m的建設(shè)礦井，21102 首采工作面位于井田2-1 煤一盤區(qū)，2-1 煤位于延安組第3 巖段（J2y3）上部，2 煤組的頂部。 煤層自然厚度0 ～6.37 m，平均2.63 m，煤層可采厚度1.06 ～5.61 m，平均2.52 m。 該工作面傾向長度320 m，走向長度4 150 m。 工作面采深626.17～647.91 m，傾角為1°～3°，回采面積為132.79萬m2。

21102 首采工作面頂板管理方式為全部垮落法，采煤方式為走向長壁后退式一次采全高采煤法。割煤方式為雙向割煤，采煤機(jī)的端頭為斜切進(jìn)刀，往返1 次進(jìn)2 刀。 支架型號為ZY10000-16／32 兩柱掩護(hù)式液壓支架，通常滯后3 ～5 架跟機(jī)移架，移架步距865 mm，控頂距控制在5 311～6 176 mm。

2 來壓步距理論計算

初次來壓步距計算。 基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄郘c的通用計算公式［12］為

式中：h 為基本頂?shù)暮穸龋琺；Rt為基本頂?shù)目估瓘?qiáng)度，MPa；q 為基本頂單位面積上的載荷，kN／m2。

21102 綜采工作面為首采工作面，結(jié)構(gòu)較為完整，基本頂可視為固定梁，但考慮到回采初期對基本頂進(jìn)行了爆破弱化處理，基本頂?shù)耐暾麪顟B(tài)遭到破壞，所以基本頂初次來壓步距將會明顯縮小，可用公式（2）進(jìn)行分析。

式中：k 為放頂后的步距變化系數(shù)，由基本頂爆破放頂?shù)某浞殖潭葲Q定，放頂效果越好，k 越小。

根據(jù)開切眼附近的H27 鉆孔巖層柱狀圖，確定基本頂為厚13.41 m 中粒砂巖，其抗拉強(qiáng)度Rt為2.23 MPa，單位面積上的載荷q 約為0.28 MPa，k 取0.8。 將各參數(shù)代入式（2），得初次來壓步距約為42.8 m。

周期來壓步距計算。 采場圍巖受壓，導(dǎo)致基本頂初次垮落，圍巖的原巖應(yīng)力狀態(tài)也隨之被打破，此時基本頂可視作懸臂梁，基本頂周期來壓步距Lz的計算公式［13］為

將各參數(shù)代入，得周期來壓步距為21.8 m。

3 工作面礦壓觀測

以葫蘆素21102 首采工作面為工程背景，為保證礦壓規(guī)律的可靠性，根據(jù)研究內(nèi)容制定詳細(xì)觀測方案，分別布置采場壓力觀測區(qū)和區(qū)段巷道超前壓力觀測區(qū)。

3.1 觀測方案

3.1.1 采場壓力觀測方案

紅河州蒙自市是云南最大的石榴種植區(qū)域，漫山遍野大大小小的山頭，石榴樹已經(jīng)占領(lǐng)了這里的所有視野。近幾年價格一直比較好，讓這方寶地到處都在種植石榴。

為獲取工作面礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)，沿工作面布置YHY60W 礦用本安型支架壓力記錄儀，其測量孔與支架立柱下腔相連接。 工作面每7 ～8 架設(shè)置1 個壓力監(jiān)測站，共設(shè)置25 個壓力支架立柱監(jiān)測壓力記錄儀（分別安裝在4、8、15、23、30、38、46、53、60、68、76、83、92、98、106、113、120、128、136、143、150、158、166、174、183 號支架上）；工作面每30 ～40 架設(shè)置1臺監(jiān)測平衡千斤頂記錄儀（分別安裝在39、75、108、146、182 號支架上），共計5 臺記錄儀。

3.1.2 回采巷道超前壓力觀測方案

為充分分析區(qū)段巷道超前壓力影響范圍，在運(yùn)輸巷超前工作面200 m 處安裝MCS-400 礦用本安型錨桿（索）測力計，螺紋鋼錨桿安裝9 臺，玻璃鋼錨桿安裝4 臺，錨索安裝3 臺，全面分析錨桿索受力狀態(tài)，其測力計位置如圖1 所示。

圖1 測力計位置Fig.1 Dynamometer position

3.2 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

3.2.1 初次來壓分析

據(jù)現(xiàn)場實測，21102 工作面推進(jìn)12 m 左右時直接頂從工作面中部開始逐漸垮落，當(dāng)工作面推進(jìn)20 m，采空區(qū)后方已基本充填滿。 工作面推進(jìn)40 m 左右基本頂發(fā)生初次來壓，在工作面能夠聽到明顯的基本頂斷裂聲音。 由于工作面初采期間采取了深孔爆破技術(shù)對開切眼頂板進(jìn)行了拉槽爆破處理，工作面基本頂來壓強(qiáng)度不大，壓力分布如圖2 所示。

圖2 工作面初次來壓支架工作阻力分布Fig.2 Distribution of support working resistance when working face initial weighting

通過礦壓數(shù)據(jù)分析可知，在不計入開切眼寬度時，21102 工作面頂板初次來壓步距38.5 ～45.9 m，平均為41.4 m。 工作面動載系數(shù)為1.04 ～1.18，平均為1.08，動載系數(shù)較小，表明初次來壓期間工作面壓力不大，初采強(qiáng)制放頂取得了較為明顯的效果，有效降低了工作面初次來壓強(qiáng)度，保障了初次來壓期間工作面的安全。

3.2.2 周期來壓分析

沿工作面傾向，支架壓力可分為5 個區(qū)域，從機(jī)頭到機(jī)尾依次為低壓區(qū)、高壓區(qū)、低壓區(qū)、高壓區(qū)、低壓區(qū)，呈“馬鞍形”分布（圖3）。

圖3 支架壓力變化Fig.3 Change of support pressure

1）支架工作阻力。 對支架工作阻力按區(qū)間寬度2 000 kN 劃分，再統(tǒng)計支架工作阻力在各區(qū)間所占百分比，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 支架工作阻力分布Table 1 Support working resistance distribution

由表1 可得，工作面支架工作阻力在各個區(qū)間的分布頻率：0～2 000 kN 為0.4%，2 000 ～4 000 kN為0.2%，4 000～6 000 kN 為1.1%，6 000 ～8 000 kN為28.2%，8 000～10 000 kN 為65.3%，10 000 kN 以上為4.8%。 處于高工作阻力區(qū)間（8 000 kN以上）的比例為70.1%，說明工作面支架總體處于高負(fù)荷工作狀態(tài)，支架支護(hù)富裕量較少。

2）沿傾向支架阻力。 21102 首采工作面長度320 m，屬于長工作面，液壓支架工作阻力沿工作面傾向呈現(xiàn)出特有的規(guī)律：從機(jī)頭到機(jī)尾分別為低應(yīng)力區(qū)、高應(yīng)力區(qū)、低應(yīng)力區(qū)、高應(yīng)力區(qū)、低應(yīng)力區(qū)，呈現(xiàn)長工作面所特有的“馬鞍形”應(yīng)力分布特征。 分析現(xiàn)場支架的壓力變化，得出沿工作面傾向支架壓力的分布規(guī)律：兩端、中間小，偏中間位置壓力大，應(yīng)力集中圈疊加顯現(xiàn)。 綜合分析工作面周期來壓數(shù)據(jù)的資料，繪制支架壓力變化曲線，如圖4 所示。

圖4 支架平均工作阻力變化Fig.4 Support average working resistance

3）采空區(qū)傾向應(yīng)力變化分析。 基于載荷三帶理論［14］，工作面初次來壓后采場上覆巖層結(jié)構(gòu)由即時加載帶（instant loading zone，簡稱ILZ）、延時加載帶（delayed loading zone，簡稱DLZ）和靜載帶（static loading zone，簡稱SLZ）組成，其覆巖特征如圖5 所示（以o 點建立x、y 坐標(biāo)），此時采空區(qū)分布應(yīng)力主要由即時加載帶中充分垮落巖層（圖5 藍(lán)色區(qū)域）的巖層重力與未充分垮落的巖層（圖5 黃色區(qū)域）傳遞的部分重力疊加組成，由于工作面傾向長度的不同采場應(yīng)力分布將呈現(xiàn)馬鞍形和上凸圓弧形2 種。

長綜采工作面中即時加載帶中未充分垮落的巖層傳遞的部分載荷將在采空區(qū)形成2 個相隔一定距離的應(yīng)力集中區(qū)，此時形成的曲線呈馬鞍形（圖5a）；若工作面傾向長度較小時，如圖5b 所示，此時2 個應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)重疊，此時形成的疊加曲線呈上凸的弧形，具體的應(yīng)力分布曲線如圖6所示。

3.3 超前支承壓力變化規(guī)律

為掌握工作面超前支承壓力影響范圍，確定合理超前支護(hù)距離，工作面前方200 m 處，在運(yùn)輸巷全斷面布置MCS-400 礦用本安型錨桿（索）測力計，分別監(jiān)測幫錨桿、頂錨桿和頂錨索受力情況，分析采動影響下的超前支承壓力的變化情況。 提取各壓力采集器采集的數(shù)據(jù)信息，如圖7 所示。

圖5 工作面初次來壓后采場覆巖空間結(jié)構(gòu)Fig.5 Surface structure of overlying strata after working face initial weighting

圖6 不同傾向長度的采空區(qū)應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of goaf with different propensity length

由圖7 可得，除了頂錨桿外，幫錨桿和頂錨索明顯受超前支承壓力的影響。 煤柱側(cè)幫錨桿在工作面前方約42 m 處受力開始增大，在工作面前方約18 m處受力開始顯著增大；部分回采側(cè)幫錨桿受力與煤柱側(cè)幫錨桿類似；錨索則在工作面前方約45 m 處受力開始增大，在工作面前方約18 m 處開始顯著增大。綜合以上分析，工作面超前支承壓力影響范圍約為工作面前方45 m，顯著影響范圍約為工作面前方18 m。

圖7 隨工作面推進(jìn)錨桿索受力變化Fig.7 Pushing load of anchor cable with working face advancing

4 結(jié) 論

1）21102 綜采工作面所配備的國產(chǎn)二柱掩護(hù)式液壓支架（ZY10000-16／32），所發(fā)揮的支架工作阻力富裕量較小，建議在類似煤層賦存條件的其他工作面支架選型時，其額定工作阻力可選擇在12 000～14 000 kN，以防工作面停產(chǎn)、過空巷、過斷層期間造成大面積來壓出現(xiàn)壓架事故。

2）21102 工作面頂板初次來壓步距38.5 ～45.9 m，平均為41.4 m，基本與理論計算吻合。 周期來壓步距最大為31.9 m，最小來壓步距為12 m，平均來壓步距為22 m。 基本頂來壓時，動載系數(shù)最大為1.09，最小為1.03，平均為1.06，動載系數(shù)很小，說明工作面總體來壓現(xiàn)象不明顯。

3）21102 首采工作面長度320 m，屬于較長工作面，液壓支架工作阻力沿工作面傾向呈現(xiàn)出特有的規(guī)律：從機(jī)頭到機(jī)尾分別為低應(yīng)力區(qū)、高應(yīng)力區(qū)、低應(yīng)力區(qū)、高應(yīng)力區(qū)、低應(yīng)力區(qū)，即長工作面所特有的“馬鞍形”應(yīng)力分布特征。

4）工作面超前支承壓力影響范圍約為工作面前方45 m，顯著影響范圍約為工作面前方18 m。 目前超前支護(hù)距離20 m 滿足要求，在保證區(qū)段巷道錨桿支護(hù)質(zhì)量和單體支柱支設(shè)質(zhì)量的前期下，現(xiàn)有的4 排單體支柱超前支護(hù)可縮減為2 排。