孫文瑤

（山東科技大學能源與礦業(yè)工程學院，山東 青島 266510）

我國煤炭資源豐富且分布廣泛，但在開采過程中不同地質(zhì)條件的差異也給開采的安全保障帶來了挑戰(zhàn)，其中支護設(shè)備的重要性不言而喻[1-2]。在保障安全生產(chǎn)的同時，工作面開采效率也是需要考慮的因素之一，液壓支架便是關(guān)鍵設(shè)備[3-6]。經(jīng)過學術(shù)界眾多學者的探索，在支架合理支護強度及支架阻力等方面，有著多種多樣的研究方法，諸如：利用理論分析與物理模擬相結(jié)合模擬計算[7]的方法，利用頂板垮落規(guī)律與動載荷法結(jié)合[8]的方法以及利用薄板理論結(jié)合現(xiàn)場實測礦壓數(shù)據(jù)[9]的方法等等。以烏蘭木礦3105 工作面為例，通過頂板結(jié)構(gòu)模型的方法對支架的支護強度進行分析計算。

1 煤層及工作面概況

烏 蘭 木 倫 礦31 煤 層 距22 煤 層26.39～47.26 m， 埋 深129.98～231.25/174.46 m， 煤 層 厚 度0.90～5.17/3.64 m。31405 工作面地面標高1290～1332 m，煤層底板標高1121～1160 m，埋深153～197/175 m，以綜采方式開采。31 煤層綜合柱狀圖如圖1。

圖1 31 煤層綜合柱狀圖

2 工作面頂板運動參數(shù)的計算和頂板結(jié)構(gòu)模型

2.1 直接頂運動參數(shù)計算

（1）由工作面采高求直接頂厚度

31405 綜采工作面采高為4.2 m。根據(jù)圖1 可知煤層上方的砂質(zhì)泥巖厚度和細粒砂巖厚度分別為2.82 m 和23.94 m，直接頂厚度計算如式（1）：

式中：h為煤層厚度，4.34 m；MZ為綜采采場直接頂厚度，m；η為綜采回采率，93.3%；SA為老頂巖層沉降值，0.2 h；KA為膨脹系數(shù)，1.25～1.30。

代入上式得MZ=10.60～12.72 m，可知，直接頂厚約為2.5～3 倍的采高。

（2）由頂板巖性結(jié)構(gòu)和力學參數(shù)求斷裂步距

根據(jù)圖1 分析煤層上方約30～40 m 的巖性特征。其斷裂步距LOZ的推算如下公式。

式中：LOZ為單巖層初次斷裂步距，m；MZ為直接頂單巖層厚度，m；[σ]為巖層抗拉強度，MPa；γ為巖層容重，N/m3。

考慮到直接頂不同的分層情況，因此需要分別計算其斷裂步距。斷裂步距LZ按式（3）計算。具體數(shù)值列于表1。

表1 各分層的斷裂步距值

（3）懸頂系數(shù)計算

支架所承受的壓力與頂部的巖層重量有關(guān)。當懸頂距LS=0 時，公式為PT=MZ·γZ，表明支架承受重量即為巖重自身重量。當LS＞0 時，公式為PT=MZ·γZ·fZ（PT＞MZ·γZ），表明支架承受重量大于自身的巖重，因為承受的是來自支架切頂線后方巖層的巖重作用力。懸頂系數(shù)fZ計算公式如式（4）：

式中：S0為煤壁與支架合力作用點之間的距離；LK為支架控頂距。

通常S0=0.5LK，即nZ=0.5。取控頂距均值：LKmin=4.820 m，LKmax=5.685 m，則均值LK=5.25 m。同樣，假設(shè)直接頂厚約13 m，經(jīng)計算推得一～二巖層或許會成為直接頂?shù)慕M成部分，其懸頂距1.85～13.45 m，計算對應懸頂系數(shù)1.83～12.68，一～二組合巖層懸頂距14.55 m，懸頂系數(shù)14.22。直接頂運動參數(shù)值用單層的數(shù)值即可，因為直接頂往往是由下往上逐層冒落。

（4）由壓前頂板壓力求直接頂厚度

當直接頂由一～二巖層組成時，需要計算MZ，即其厚度的總和如式（5）：

式中：PT1為支架支護強度（來壓前），MPa；MZi為各分層厚度，m；γZi為各分層容重，24 kN/m3；fZi為各分層懸頂系數(shù)。

式中i=1 時，計算得到PT1=0.13 MPa；i=2 時，PT1=7.78 MPa?，F(xiàn)將頂板巖層產(chǎn)生壓力的計算（直接頂為不同巖層組成部分組合時）和支護強度實際測試值列于表2。

表2 計算頂板壓力值和支護強度實測值

由表2 可知，計算頂板壓力值與通過支架實際測試平均支護強度數(shù)值差距較大。實際上所測數(shù)值是支架主動支護頂板限定變形的初撐力后，上覆巖層在來壓前微量下沉后的數(shù)值，因為支架受力有所增加所以并不是直接頂壓力真實值?？紤]一巖層可能組成直接頂，并以此來構(gòu)建頂板結(jié)構(gòu)模型，其厚度為MZ=2.82 m。

（5）直接頂運動參數(shù)的確定

現(xiàn)將直接頂巖層運動參數(shù)列于表3。

表3 直接頂巖層運動參數(shù)

2.2 老頂運動參數(shù)的確定

（1）老頂厚度與來壓步距的確定

老頂厚度ME可以由礦壓實測參數(shù)求得，如式（6）：

式中：PT為周期來壓時頂板壓力，0.97 MPa；A為巖重（直接頂），0.12 MPa；ME為老頂基準厚度，m；γE為老頂容重，N/m3；c為老頂周期來壓步距，實測均值18.3 m；KT為老頂巖重分配參數(shù)，直接頂極薄，通常KT=2；LK為工作面最小控頂距，4.82 m。

由式（6）求得ME=18.6 m。老頂?shù)闹芷趤韷翰骄酁閏=18.7 m，初次來壓步距c0=45.8 m。

2.3 工作面頂板結(jié)構(gòu)模型

經(jīng)過此前的推導計算分析，可以得到烏蘭木倫礦31405 工作面頂板結(jié)構(gòu)模型如圖2。

圖2 烏蘭木倫礦31405 工作面頂板結(jié)構(gòu)模型（m）

3 工作面頂板壓力和支護強度計算

3.1 支架頂梁支護面積

工作面采用鄭州煤機集團ZY 8600/24/50 電液控制2 柱掩護式液壓支架。經(jīng)查閱，支架各參數(shù)分別為：支架高度W=2500～5000 mm；頂梁長度L1=4240 mm；端面距L2=580 mm；中心距D=1750 mm；采煤機截深理論值s=865 mm。支架控頂有關(guān)尺寸參數(shù)如下：

3.2 支架支護強度和頂板壓力計算

在支架支護強度平衡與頂板壓力前提下，工作面支架支護強度P'T和頂板壓力PT之間有明確的聯(lián)系，根據(jù)之前提到的支架結(jié)構(gòu)參數(shù)計算可知，P'T=1.05PT，即PT=0.95P'T。支護強度P'T如式（7）：

3.3 支架支護強度和頂板壓力確定

選擇工作面內(nèi)5 個代表性支架來確定合理的支架支護強度，取支架最小支護面積Smin，計算支架頂板來壓時阻力的均值，最終確定合理的支架支護強度P'T=1.16 MPa，頂板壓力PT=1.10 MPa。

4 結(jié)語

（1）通過分析煤層柱狀圖，求得相關(guān)的頂板運動參數(shù)并得到其頂板結(jié)構(gòu)模型。

（2）通過支架相關(guān)參數(shù)并取均值計算，最終求得了烏蘭木倫礦31405工作面合理的支架支護強度。