李培賢，賀小平，張廣山，任 強(qiáng)，周 凱，于鳳海，王 博，楊雨默

(1.內(nèi)蒙古煤礦安全監(jiān)察局 鄂爾多斯監(jiān)察分局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2. 鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；3. 山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266000)

煤炭是我國(guó)的主體能源，而且在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，煤炭作為主體能源的地位不會(huì)改變[1]。井工煤礦開采過(guò)程中，工作面的礦壓顯現(xiàn)是由上覆巖層破斷移動(dòng)引起的，其顯現(xiàn)的強(qiáng)烈程度不僅與覆巖結(jié)構(gòu)特征及其移動(dòng)特征有關(guān)，還與工作面支架的性能及其支護(hù)工況密切相關(guān)[2]。

針對(duì)采場(chǎng)支護(hù)礦壓控制問(wèn)題，朱衛(wèi)兵等[3]基于遠(yuǎn)場(chǎng)關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)角度，對(duì)工作面推采過(guò)程中的大周期來(lái)壓現(xiàn)象進(jìn)行研究；賈喜榮教授[4]推導(dǎo)出了板理論在采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)方面的理論解，拓展了頂板來(lái)壓計(jì)算的方法。工程實(shí)測(cè)是研究礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的基礎(chǔ)手段[5-7]；通過(guò)數(shù)值模擬分析[8-10]和物理相似性模擬[11-12]的手段也可以得到工作面開采過(guò)程中上覆巖層的應(yīng)力分布規(guī)律，研究得到不同工程地質(zhì)條件下采場(chǎng)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。紅慶梁煤礦屬于弱膠結(jié)軟巖條件下新建礦井，承載力低、遇水泥化的圍巖特性導(dǎo)致其他采場(chǎng)礦壓規(guī)律無(wú)法有效適用，還需要通過(guò)實(shí)測(cè)進(jìn)行采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究，工作面的支架選型是否合理也需要通過(guò)研究進(jìn)一步驗(yàn)證。

本文擬通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及理論分析相結(jié)合的方法，獲得弱膠結(jié)軟巖巷道采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并通過(guò)工作面支架受力反演直接頂及基本頂厚度，驗(yàn)證支架選型的適應(yīng)性問(wèn)題。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程狀況

紅慶梁煤礦主采3-1煤，11302工作面位于11301工作面與11307工作面之間，南部11301工作面已開采，北部11307工作面未采動(dòng)。11302工作面走向長(zhǎng)度為4 183 m，傾斜長(zhǎng)度為280 m。具體工程狀況如圖1所示。

圖1 11302工作面推采位置示意

1.2 地質(zhì)概況

結(jié)合工作面附近地質(zhì)鉆孔揭露情況，11302工作面頂板巖層大體分為粉砂巖(約7.83 m)、砂質(zhì)泥巖(約16.87 m)及礫巖層(約21.97 m)，煤厚約為4.14 m，如圖2所示。

1.3 工作面支護(hù)情況

11302工作面支護(hù)及巷道超前支護(hù)示意如圖3所示，工作面共布置164臺(tái)液壓支架。其中，有7臺(tái)端頭液壓支架，2臺(tái)過(guò)渡架。膠運(yùn)巷超前支護(hù)采用ZTCX30000/25/45D型液壓支架進(jìn)行支護(hù)?；仫L(fēng)巷超前支護(hù)采用ZQ6000/22/39型液壓支架支護(hù)。

圖2 11302工作面地質(zhì)鉆孔柱狀圖

圖3 工作面支護(hù)及巷道超前支護(hù)示意

2 采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2.1 直接頂初次垮落步距

11302工作面回風(fēng)巷側(cè)直接頂先垮落，膠帶巷側(cè)頂板與中部頂板幾乎同時(shí)垮落，直接頂垮落時(shí)工作面支架壓力較大，支架泄壓閥開啟。

11302工作面支架在頂板直接頂垮落期間壓力平均為42.8 MPa(11 855.6 kN)，工作面中部支架壓力最大，膠帶巷側(cè)支架壓力最小，見表1。直接頂垮落步距為9～10 m。

表1 11302工作面直接頂初次垮落期間支架壓力

2.2 基本頂初次來(lái)壓步距

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及支架壓力分析如表2所示，工作面基本頂初次來(lái)壓順序?yàn)椤爸胁俊獌啥祟^”，中部頂板初次來(lái)壓要提前兩端頭處約24 h。工作面支架在基本頂初次來(lái)壓期間平均壓力為12 077.2 kN，工作面中部支架壓力最大，回風(fēng)巷側(cè)支架壓力最小?；卷敵醮蝸?lái)壓步距為43.3～ 53.3 m。

表2 11302工作面基本頂初次來(lái)壓期間支架壓力

2.3 基本頂周期來(lái)壓步距

對(duì)基本頂周期來(lái)壓期間支架壓力分析，支架壓力與回采距離之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 初采階段支架工作阻力曲線

根據(jù)支架工作阻力變化特征挑選基本頂周期來(lái)壓特征點(diǎn)，并依次確定基本頂周期來(lái)壓強(qiáng)度與周期來(lái)壓步距，得到11302工作面周期來(lái)壓期間頂板來(lái)壓參數(shù)，如表3所示。

表3 11302工作面周期來(lái)壓期間頂板來(lái)壓參數(shù)

由表3可知，11302回采工作面初采階段基本頂周期來(lái)壓強(qiáng)度平均為12 450.49 kN，周期來(lái)壓步距平均為14.3 m。膠帶巷側(cè)頂板來(lái)壓強(qiáng)度較大，工作面中部頂板來(lái)壓強(qiáng)度次之，回風(fēng)巷側(cè)頂板來(lái)壓強(qiáng)度最小。

3 采場(chǎng)支架適應(yīng)性評(píng)價(jià)

3.1 支架需控巖層范圍實(shí)測(cè)反演

1) 直接頂厚度。利用采場(chǎng)來(lái)壓前或來(lái)壓結(jié)束后工作面重新推進(jìn)時(shí)支架工作阻力反推直接頂厚度。取采場(chǎng)液壓支架頂梁為研究對(duì)象，其受力情況如圖5所示，頂梁在自身重力G、頂板巖層作用力FZ、立柱作用合力FS及掩護(hù)梁作用力FS1下平衡。

圖5 直接頂厚度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)推斷示意

考慮到掩護(hù)梁作用力大小FS1和其方向均隨支架工作位態(tài)的變化而變化，因此，對(duì)掩護(hù)梁作用力作用點(diǎn)O建立力矩平衡方程如下：

(1)

式中:FS為綜采液壓支架來(lái)壓結(jié)束后立柱對(duì)頂梁的作用合力；G為綜采液壓支架頂梁重量；FZ為直接頂巖層對(duì)綜采液壓支架頂梁作用力；L1為綜采液壓支架立柱對(duì)頂梁作用點(diǎn)到頂梁末端距離；α為綜采液壓支架立柱與頂梁的夾角；LR綜采液壓支架頂梁長(zhǎng)度。

由此求得，頂板對(duì)頂梁作用力FZ為

(2)

當(dāng)綜采液壓支架支護(hù)工作面頂板巖層來(lái)壓結(jié)束后，工作面重新推進(jìn)時(shí)支架工作阻力僅為直接頂巖層作用。此時(shí)，頂板對(duì)巖梁作用力為直接頂巖層重量，即:

FZ=MZLKLdγZ

(3)

式中:MZ為直接頂巖層厚度；γZ為直接頂巖層容重；LK為綜采液壓支架控頂距；Ld為相鄰兩綜采液壓支架中心距。解得直接頂巖層厚度為:

(4)

由此階段得到直接頂厚度情況見表4。

表4 直接頂厚度實(shí)測(cè)推斷統(tǒng)計(jì)

由表4統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，直接頂厚度范圍為10.6～13.3 m，平均為12.1 m。

2) 基本頂厚度。由于11302工作面直接頂上方頂板主要為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和礫巖層，其中砂質(zhì)泥巖巖性整體膠結(jié)性較差，其單軸抗壓強(qiáng)度為13.45～21.16 MPa，平均17.45 MPa，屬于典型軟弱巖層，而礫巖層巖性整體堅(jiān)硬，由此基本頂厚度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)推斷示意圖如圖6所示。

圖6 基本頂厚度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)推斷示意

同直接頂厚度實(shí)測(cè)模型相似，對(duì)掩護(hù)梁作用力作用點(diǎn)O建立力矩平衡方程如下：

(5)

式中:FS0為綜采液壓支架來(lái)壓時(shí)立柱對(duì)頂梁的作用合力；F為直接頂與基本頂巖層對(duì)綜采液壓支架頂梁作用力。

解得頂板巖層(直接頂和基本頂)對(duì)頂梁作用合力F為:

(6)

考慮到基本頂為多巖梁結(jié)構(gòu)，頂板巖層(直接頂和基本頂)對(duì)頂梁作用合力F為：

(7)

式中:ME為基本頂巖層厚度；γE為基本頂巖層容重；KT為基本頂巖梁巖重分配系數(shù)；C為基本頂來(lái)壓步距。

聯(lián)立式(6)、(7)，解得基本頂巖層厚度為:

(8)

式中：△F為同一來(lái)壓周期內(nèi)來(lái)壓時(shí)與來(lái)壓結(jié)束后支架工作阻力差值。

由此階段得到直接頂厚度情況見表5。由表5統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，基本頂厚度范圍為14.1～15.3 m，平均為14.6 m。

表5 基本頂厚度實(shí)測(cè)推斷統(tǒng)計(jì)

3.2 支架合理工作阻力

綜采液壓支架的額定工作阻力是支架最重要的工作參數(shù)，是支架選型的核心，關(guān)系到支架制造成本和實(shí)際控頂效果。液壓支架工作阻力的確定方法一般采用實(shí)測(cè)分析法、載荷估算法及理論計(jì)算法三種[13]。

3.2.1 實(shí)測(cè)分析法

正常情況下，采煤工作面支架工作阻力的統(tǒng)計(jì)值包括來(lái)壓時(shí)均值阻力、均值偏阻力、均值上阻力，加上支架額定工作阻力，據(jù)此確定采煤工作面支架合理的工作阻力。

1) 支架額定工作阻力P。支架額定工作阻力是指支架設(shè)計(jì)時(shí)，支架各立柱的支撐能力之和，其計(jì)算公式如下：

(9)

式中：P為支架額定工作阻力；φi為支架立柱內(nèi)徑；n為立柱數(shù)量；Pi為支架立柱安全閥開啟壓力。

(10)

(11)

(12)

(13)

11302工作面中部及上下端頭側(cè)綜采支架整體工作阻力、均值偏阻力和均值上阻力情況及其相應(yīng)超限比率見表6。結(jié)合支架額定工作阻力超限比率，得到基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲取的采場(chǎng)支架合理的工作阻力為13 000 kN。

表6 工作面采場(chǎng)支架工作阻力參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.2.2 載荷估算法

考慮直接頂自重引起的載荷及因基本頂斷裂后周期來(lái)壓而形成的載荷，以一定倍數(shù)采高的頂板巖體質(zhì)量來(lái)確定液壓支架工作阻力，由此可知支架支護(hù)強(qiáng)度及工作阻力為:

p=NSγh

(14)

(15)

式中：p為支護(hù)強(qiáng)度；NS為采高倍數(shù)，取4～8；Ld為支架頂梁長(zhǎng)度；LC為支架頂梁前端到煤壁的距離；LB為支架頂梁寬度；LJ為架間距；KS為液壓支架支護(hù)效率。

根據(jù)載荷估算法，計(jì)算得到支架工作阻力最小要求為12 471.1 kN。

3.2.3 理論計(jì)算法

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)特征，推斷11302回采工作面采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)為多巖梁結(jié)構(gòu)(下位傳遞巖梁、上部巖板)，其支護(hù)強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

(16)

式中：PT為支架工作阻力；A為直接頂載荷；mE為基本頂巖層厚度。

根據(jù)理論計(jì)算法計(jì)算得到支架工作阻力最小要求為9 986.1 kN。

3.3 支架適應(yīng)性評(píng)價(jià)

上述三種方法獲取的采場(chǎng)支架工作阻力情況見表7。

表7 11302回采工作面采場(chǎng)支架工作阻力統(tǒng)計(jì)

11302采煤工作面支架合理的工作阻力為13 000 kN，從支架工作阻力角度出發(fā)，現(xiàn)使用的綜采液壓支架能夠滿足支護(hù)需求。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 11302工作面直接頂回風(fēng)巷側(cè)先垮落，基本頂垮落步距為9～10 m；基本頂初次來(lái)壓先工作面中部后兩端頭側(cè)后，基本頂初次來(lái)壓步距為43.3～53.3 m；周期來(lái)壓步距平均為14.3 m。

2) 基于工作面液壓支架受力進(jìn)行直接頂及基本頂厚度反演，由此得到初采期間直接頂厚度范圍10.6～13.3 m，平均為12.1 m；基本頂厚度范圍為14.1～15.3 m，平均為14.6 m。

3) 通過(guò)實(shí)測(cè)分析、載荷估算及理論計(jì)算的方法，確定11302采煤工作面支架合理的工作阻力為13 000 kN，從支架工作阻力角度出發(fā)，現(xiàn)使用的綜采液壓支架能夠滿足支護(hù)需求。