李國棟，曹啟正，宋帥帥

(1.新疆大學 地質與礦業(yè)工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.礦產資源生態(tài)環(huán)境保護性開采自治區(qū)教育廳普通本科高校重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830047；3.菏澤市應急管理局,山東 菏澤 274300)

0 引言

我國西部礦區(qū)煤炭儲量極為豐富，煤層埋藏淺、賦存穩(wěn)定、煤質好[1?3].許多學者針對淺埋煤層(埋深<150 m和薄基巖)頂板結構及巖層控制理論開展了大量研究，構建了典型淺埋煤層覆巖結構力學模型[4?5]，并揭示了淺埋煤層工作面頂板臺階下沉和結構滑落失穩(wěn)機理，為淺埋煤層頂板巖層控制提供了理論基礎.文獻[4]、文獻[6]以“關鍵層、埋深和基載比”為指標對“淺埋煤層”進行了科學定義，并通過建立淺埋煤層“臺階巖梁”和“短砌體梁”結構模型，得到了控制結構滑落失穩(wěn)需滿足的支護力大??；文獻[7]、文獻[8]研究了多煤層工作面厚關鍵層破斷特征及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)工作面頂板雙關鍵層破斷具有大、小周期來壓現(xiàn)象；文獻[9]通過物理相似模擬實驗，發(fā)現(xiàn)基于“等效直接頂”在采空區(qū)的充填程度，可進一步將雙關鍵層結構劃分為“斜臺階巖梁-砌體梁”和“雙砌體梁”兩種結構類型，得到了控制“斜臺階巖梁-砌體梁”結構穩(wěn)定的支護阻力計算方法.由此可見，合理的液壓支架支護阻力可有效避免工作面頂板臺階下沉和結構滑落失穩(wěn)，保證工作面頂板安全.由于上述研究多集中在單一關鍵層或者“斜臺階巖梁-砌體梁”雙關鍵層結構，而關于“雙砌體梁”結構對工作面液壓支架阻力影響的研究較少，本文以陜北榆神府礦區(qū)某礦42111綜采工作面為研究背景，通過分析該工作面的礦壓規(guī)律和合理支架阻力的確定，力求為該類綜采工作面支架選型和頂板巖層控制提供借鑒.

1 工程背景

某礦井位于陜北榆神府礦區(qū)東北部，井田內地層近水平，基巖堅硬且厚度較小，構造總體為單斜構造，寬緩小型波狀起伏局部發(fā)育，煤層平均埋深120 m.礦井生產實踐表明，近淺埋采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律顯著區(qū)別于普通深埋煤層.由于對停采時機和頂板來壓機理掌握不準確，該礦井4?2煤層一盤區(qū)綜采工作面曾在末采期回撤設備過程中，多臺液壓支架受到劇烈沖擊載荷作用，支架支柱被不同程度壓死甚至壓斷，工作面煤壁片幫致使刮板輸送機超載嚴重甚至雙鏈崩斷，工作面無法正常運轉，地面伴有明顯的臺階下沉現(xiàn)象，采場來壓時地表和工作面形態(tài)如圖1所示.

圖1 采場來壓時地表和工作面形態(tài)Fig 1 Surface and working face morphology of overburden during roof weighting

4?2煤層一盤區(qū)42111工作面為該礦井典型的近淺埋煤層綜采工作面，工作面平均采高3.08 m，日進尺：0.865 m/循環(huán)×20循環(huán)/天=17.3 m/天，工作面沿煤層傾斜方向布置，長度240 m，沿煤層走向推進，推進距離約為4 200 m，工作面上、下順槽凈斷面寬×高=5.4 m×2.9 m，該工作面地層綜合柱狀圖如圖2所示.4?2煤層厚度2.9～3.2 m，平均3.08 m，局部含0～3層粉砂巖或泥巖夾矸，夾矸厚度0.05～0.76 m，平均0.23 m.4?2煤層頂板：局部為0.1～0.3 m厚的泥巖偽頂；直接頂為7.15 m厚的粉砂巖，具水平紋理及波狀層理；基本頂厚度38.76～45.13 m，平均42.87 m，巖性自下向上依次為細粒砂巖、粉砂巖和細粒砂巖，其中平均厚度9.7 m的細粒砂巖為下位關鍵層、11.27 m厚的細粒砂巖為上位關鍵層；由粘土、黃土、粉細砂和風積沙等組成的松散層位于基本頂之上，平均厚度76.22 m.4?2煤層直接底巖性為粉砂巖，具有水平紋理及微波層理，平均厚度12.85 m.

圖2 42111工作面地層綜合柱狀圖Fig 2 Comprehensive histogram of 42111 working face strata

2 近淺埋煤層綜采工作面頂板破斷特征

2.1 頂板“雙砌體梁”結構特征

由42111工作面地層綜合柱狀圖可知，4?2煤層頂板含有上、下兩層關鍵層，工作面開采后，上覆巖層由下向上縱向運動，當下位關鍵層距煤層較近時，下位關鍵層斷裂進入規(guī)則垮落帶形成“懸臂梁”結構，如圖3（a）所示，而上覆巖層需要在更高的位置才可形成鉸接的“砌體梁”結構[10].

根據(jù)綜采工作面采場垮落帶高度與采高的關系[11]：

式中：mz為垮落帶高度，m為煤層采高（取3 m），Sp為垮落巖層沉降值（取0.35～0.5倍的采高），kp為直接頂巖石碎脹系數(shù)（取1.3）.

由式（1）可知，42111工作面垮落帶高度mz=5.01～6.51 m<7.15 m，表明下位關鍵層未進入垮落帶，可以形成鉸接的“砌體梁”結構，因此，42111工作面頂板雙關鍵層破斷可形成“雙砌體梁”結構，如圖3（b）所示.

圖3 采場頂板雙關鍵層結構Fig 3 Double key stratum structure of the stope roof

2.2 頂板來壓大、小周期現(xiàn)象

結合板模型理論[12]，計算得到42111工作面雙關鍵層初次來壓步距和周期來壓步距，其中下位關鍵層初次來壓和周期來壓步距分別為52.2 m、14.8 m，上位關鍵層初次來壓和周期來壓步距分別為65.1 m、31.4 m，表明上、下位關鍵層來壓步距差別較大.由圖4可知，42111工作面頂板來壓具有顯著的大、小周期來壓現(xiàn)象.隨著工作面均速推進，當位于下位關鍵層初次破斷步距（約為49 m）時，工作面初次來壓；隨著工作面繼續(xù)推進，一旦達到上位關鍵層極限垮斷步距（約72 m）時，上位關鍵層初次破斷，上覆巖層運動劇烈甚至波及到地表，并且下位關鍵層由于受上位關鍵層破斷影響而提前斷裂，此時工作面出現(xiàn)第一次來壓強度較大的周期來壓.由于上、下位關鍵層具有不同的來壓步距，隨著工作面持續(xù)推進，工作面雙關鍵層結構呈現(xiàn)“同步破斷-非同步破斷”的交替來壓過程，即工作面出現(xiàn)大、小周期來壓現(xiàn)象，工作面大周期來壓（步距約32～37 m）時雙關鍵層同步破斷、壓力大，工作面小周期來壓（步距約13～17 m）時下位關鍵層破斷、壓力小.

圖4 42111工作面來壓期間支架阻力曲線Fig 4 Support resistance curve during 42111 working face compression

3 雙關鍵層綜采工作面支架阻力確定

3.1 雙關鍵層“支架圍巖”力學模型

大量研究表明合理的液壓支架支護阻力可有效避免“砌體梁”關鍵塊體沿工作面切頂或臺階下沉[4?5]，結合近淺埋煤層綜采工作面的頂板破斷特征，可以構建42111工作面頂板來壓時“支架-圍巖”力學模型（如圖5所示）.隨著工作面推進，頂板雙關鍵層破斷形成“雙砌體梁”結構，當上、下位關鍵層非同步破斷即小周期來壓時，此時支架上荷載取決于下位關鍵層及雙關鍵層夾層；當上、下位關鍵層同步破斷即大周期來壓時，上位關鍵層自重及其荷載充分傳遞，此時支架上荷載受控于上、下位關鍵層.工作面采場頂板支護設計以安全為首要目標，支架阻力計算應防止“雙砌體梁”結構大來壓，即上、下位關鍵層同步破斷結構滑落失穩(wěn).

圖5 頂板來壓“支架-圍巖”力學模型Fig 5 The mechanical model of“support surrounding rock”under roof pressure

3.2 工作面支架阻力計算

根據(jù)文獻[12]可得，支架荷載Pm由上、下位關鍵塊失穩(wěn)荷載R1和直接頂荷載R疊加確定，即：

式中：γ為容重，h上（下）為關鍵層的厚度，h為直接頂?shù)暮穸?，b為支架的寬度，L1為關鍵塊B1長度，P1為關鍵塊B1載荷，W1為關鍵塊B1下沉量，θ表示關鍵塊體B1的回轉角，α為直接頂?shù)钠茢嘟?，lk為支架的控頂距，tan?為咬合點處摩擦系數(shù)，R1可拆分成夾層荷載與下位關鍵層塊體B1自重之和R2、上位關鍵層塊體B2作用在夾層上荷載.

式中：h夾為上、下位關鍵層夾層的厚度，b為支架的寬度，L2為關鍵塊B2長度，P2為關鍵塊B2荷載，W2為關鍵塊B2下沉量.

聯(lián)立式(3)、(4)可得，

聯(lián)立式(2)、(5)可得，“雙砌體梁”結構大周期來壓時支架阻力Pmax為：

式中：關鍵塊B1、B2下沉量W1=W2=m-(kp-1)·h，kp為直接頂巖石碎脹系數(shù)（取1.3），θ值較小可忽略，tan?取0.5，考慮液壓支架支撐效率，則可將支架阻力Pmax簡化為：

式中：μ為液壓支架的支撐效率，支撐掩護式支架取0.80～0.95[11]，本文μ取0.90.

根據(jù)42111工作面生產地質概況，煤層采高為3 m，直接頂破斷角tanα=1.732，容重γ=25 kN/m3，直接頂?shù)暮穸萮=6 m，關鍵塊體B1的厚度h下=9 m、長度L1=10 m，關鍵塊體B2的厚度h上=11 m、長度L2=30 m，支架的寬度b=1.75 m，控頂距l(xiāng)k=5 m，將上述數(shù)值帶入式（7）得支架阻力為10 241.09 kN.

4 雙關鍵層綜采工作面液壓支架適應性評價

4.1 42111工作面支架型號

由支護阻力計算結果可知，42111工作面支架阻力不應小于10 241.09 kN，現(xiàn)場所選的ZY12000/20/40D型掩護式液壓支架額定支護阻力為12 000 kN＞10 241.09 kN，符合要求，支架主要技術參數(shù)見表1.

表1 支架主要技術參數(shù)Tab 1 Main technical parameters of the support

工作面正?；夭蓵r，滯后采煤機后滾筒五架（約9 m），按照“割煤-移架-推移刮板輸送機”的工藝流程管理頂板.工作面來壓時，護幫板超前采煤機前滾筒依次成組收回，頂板支護按照“少降快移+帶壓擦頂”的原則超前移架，隨后伸出護幫板，頂板管理工藝為：“移架-護幫板伸出-護幫板收回-割煤-推移刮板輸送機”.

4.2 液壓支架適應性評價

為分析42111工作面ZY12000/20/40D型掩護式液壓支架特定開采條件下的適應性，在工作面一定范圍監(jiān)測液壓支架阻力分布情況.42111工作面傾向長240 m，液壓支架共141臺，現(xiàn)場共設計布置5個測站，每個測站均監(jiān)測3臺液壓支架，42111工作面液壓支架阻力測站布置如圖6所示.第1和第5測站位于工作面兩端頭，沿工作面中部呈對稱分布，第3測站位于工作面中部，第2和第4測站位于工作面端頭-中部之間的過渡區(qū)域并沿工作面中部對稱分布.通過對各監(jiān)測數(shù)據(jù)初步分析，發(fā)現(xiàn)第1和第5測站支架阻力區(qū)間分布基本一致，第2和第4測站支架阻力區(qū)間分布也基本一致，同時位于工作面過渡區(qū)域的支架阻力明顯小于工作面端頭和中部區(qū)域的支架阻力.因此，本文選取工作面端頭和中部區(qū)域測站，即第1和第3測站進行液壓支架適應性分析.

圖6 工作面測站布置情況Fig 6 Layout of measuring stations on working face

第1、第3測站支架阻力實測數(shù)據(jù)如表2和圖7所示.支架阻力區(qū)間呈正態(tài)分布，第1測站實測最大支架阻力為45.02 MPa，最小支架阻力為17.97 MPa，阻力區(qū)間介于18～27 MPa的占79.56%、阻力區(qū)間介于27～36 MPa的占15.65%；第3測站實測最大支架阻力為45.70 MPa，最小支架阻力為17.98 MPa，阻力區(qū)間介于18～27 MPa的占12.87%、阻力區(qū)間介于27～36 MPa的占70.18%.綜合測站內支架阻力和分布頻率，可知第1、第3測站支架阻力均位于其額定范圍內，且有較大的富裕度，說明支架對頂板的支撐作用較好，選擇的支架型號、指標較為合理，可有效保障42111工作面回采時頂板安全.

表2 42111工作面液壓支架阻力分布頻率Tab 2 Resistance distribution frequency of hydraulic support at 42111 working face

圖7 42111工作面液壓支架阻力分布Fig 7 Resistance distribution of hydraulic support at 42111 working face

5 結論

（1）基于關鍵層判據(jù)，初步判定42111工作面頂板存在上、下兩層關鍵層，上、下位關鍵層破斷形成“雙砌體梁”結構，其來壓具有顯著的大、小周期現(xiàn)象；

（2）通過構建42111工作面頂板來壓時“支架-圍巖”力學模型，計算得到“雙砌體梁”結構大周期來壓時支架阻力為10 241.09 kN<12 000 kN，說明現(xiàn)場所選的ZY12000/20/40D型掩護式液壓支架的額定支護阻力符合設計要求；

（3）42111工作面支架阻力現(xiàn)場實測表明：支架阻力區(qū)間呈正態(tài)分布，均位于其額定阻力范圍且富裕度較大，說明選擇的液壓支架型號、指標較為合理，支架對采場頂板的支撐作用較好，有效保障了工作面頂板安全.