劉洪濤，韓 洲，韓子俊，楊志華，何維勝，王斯晨，羅紫龍

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.寧夏煤炭科學(xué)技術(shù)研究所有限公司，寧夏 銀川 750000；3.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 羊場灣煤礦，寧夏 銀川 750011）

隨著煤礦礦山裝備技術(shù)的快速發(fā)展，所研制的大采高液壓支架能夠有效保證工作面的正常生產(chǎn)，然而隨著厚煤層工作面的開采，工作面受到上覆巖層破斷的干擾，使得工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，給煤礦液壓裝備以及人員造成嚴(yán)重威脅。近年來我國學(xué)者對(duì)工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)做了大量的研究[1-9]，文獻(xiàn)［10］運(yùn)用理論分析、現(xiàn)場實(shí)測得出多煤層中間厚關(guān)鍵層在礦山壓力和自身弱面結(jié)構(gòu)影響下將以分層方式垮落;文獻(xiàn)［11-12］運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法提出大采高采場頂板易形成“短懸臂梁-鉸接巖梁”結(jié)構(gòu),以及大采高綜采支架工作阻力的計(jì)算公式；文獻(xiàn)［13］運(yùn)用相似模擬、理論分析、數(shù)值模擬得出覆巖運(yùn)移具有很強(qiáng)的時(shí)空觀, 同一層位的巖層隨推進(jìn)時(shí)步增加垂直位移近似成“Z”字形分布；頂板塑性區(qū)的破壞范圍與推進(jìn)度保持同步協(xié)調(diào)關(guān)系,擴(kuò)展空間由下及上,破壞深度由表及里,影響時(shí)間由短變長；文獻(xiàn)［14］通過構(gòu)建了“煤壁-支架-頂板”的力學(xué)模型, 分析煤壁壓力與支架工作阻力的關(guān)系得出煤壁穩(wěn)定性與支架的關(guān)系。

羊場灣煤礦地質(zhì)條件較為特殊，其工作面上方3 m 處有18.4 m 厚的中粒砂巖層，對(duì)此深埋煤層大采高工作面上覆巖層破斷的理論依舊不完整.因此，通過理論分析、相似模擬、現(xiàn)場觀測等手段，針對(duì)羊場灣煤礦160206 工作面深埋厚煤層上覆巖層破斷規(guī)律與液壓支架工作阻力進(jìn)行分析。

1 工程背景

160206 工作面位于羊場灣煤礦一號(hào)井井田中西部，地表為沙丘覆蓋，地形低緩平坦，起伏不大。二層煤偽頂巖性為炭質(zhì)泥巖，直接頂巖性為粉砂質(zhì)泥巖，基本頂為中粒砂巖、細(xì)砂巖，直接底為泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖。160206 綜放工作面距地面垂直深度為533～651 m，平均592 m，北以160206 工作面1#切眼為界，南以16 采區(qū)北翼回風(fēng)下山為界，工作面上鄰120212 工作面采空區(qū)和160204 工作面采空區(qū)，均留設(shè)30 m 煤柱，下部為原始煤層未進(jìn)行采動(dòng)。工作面長度為227 m，開采煤層厚度為9.13～9.4 m，平均9.3 m，煤層傾角為0°～11°，平均5.5°。160206 工作面采用走向長壁后退式放頂煤采煤法開采，采高為4 m，放頂煤厚度5.3 m。

2 相似模擬覆巖結(jié)構(gòu)破斷

為了準(zhǔn)確得到160206 工作面覆巖結(jié)構(gòu)與液壓支架的準(zhǔn)確關(guān)系，以160206 工作面為背景，幾何比例為1∶200，構(gòu)建模型，模型長寬高分別為1 800 mm×160 mm×1 300 mm。模擬隨工作面不斷推進(jìn)上覆巖層的破斷規(guī)律。

相似模擬模型隨著工作面推進(jìn)至120 m 時(shí)基本頂初次垮落，是由18.4 m 厚的中粒砂巖亞關(guān)鍵層控制著上部兩巖層4 m 厚粉砂巖和2 m 厚煤層同時(shí)垮落，對(duì)160206 工作面造成強(qiáng)烈的礦壓。

工作面推進(jìn)至120 m 時(shí)，直接頂連同上部兩巖層形成砌體梁結(jié)構(gòu)、直接頂形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，并隨著工作面的推進(jìn)這種結(jié)構(gòu)是一直存在的。

羊場灣煤礦由于其獨(dú)特的覆巖結(jié)構(gòu)：二層煤9.4 m 厚，一次采出后垮落空間大且其3 m 厚的直接頂垮落并不能直接充填采空區(qū)，而且直接頂是由中粒砂巖組成，其強(qiáng)度較大，并不能立即隨工作面推進(jìn)而垮落。隨工作面推進(jìn)至100、110 m 時(shí)，懸露的基本頂部分破斷充填采空區(qū)，由于直接頂、基本頂巖石強(qiáng)度大，破斷之后并不能充填采空區(qū)；由于采空區(qū)與未垮落直接頂之間存在空隙，使得直接頂與部分基本頂水平力傳遞中斷，進(jìn)而形成倒臺(tái)階形懸臂梁結(jié)構(gòu)。工作面推進(jìn)100 m 時(shí)基本頂部分垮落如圖1。

圖1 工作面推進(jìn)100 m 時(shí)基本頂部分垮落Fig.1 Collapse of the basic roof when the working face advances 100 m

隨著工作面的不斷推進(jìn)，直接頂達(dá)到極限垮落距破斷失穩(wěn)，直接頂壓實(shí)采空區(qū)，基本頂巖層的“懸臂梁”結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)失穩(wěn)形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，構(gòu)成3 個(gè)相互咬合的關(guān)鍵塊“A、B、C”結(jié)構(gòu)，關(guān)塊鍵C 壓實(shí)采空區(qū)與關(guān)鍵塊B 連接，提供1 個(gè)水平推力給關(guān)鍵塊B，同時(shí)連接關(guān)鍵塊A，此時(shí)關(guān)鍵塊A 受到直接頂“懸臂梁”結(jié)構(gòu)向上的支撐力保持穩(wěn)定，耦合形成“砌體梁-懸臂梁”鉸接結(jié)構(gòu)，因此工作面液壓支架與上覆圍巖形成密切聯(lián)系的相互作用結(jié)構(gòu)。如果液壓支架選型小于維持上覆巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的工作阻力，關(guān)鍵塊A 將會(huì)破斷發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，無法提供關(guān)鍵塊B 穩(wěn)定的水平推力與摩擦力，無法形成“砌體梁-懸臂梁”結(jié)構(gòu)，從而造成工作面強(qiáng)烈來壓，壓架等風(fēng)險(xiǎn)。

由相似模擬結(jié)果可以看出：深部大采高工作面液壓支架的阻力一是主要是防止直接頂“懸臂梁”結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的壓力；二是來自“砌體梁”結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)的壓力。

3 羊場灣覆巖破斷移動(dòng)規(guī)律

3.1 工作面頂板結(jié)構(gòu)參數(shù)

頂板上覆巖層結(jié)構(gòu)由不同厚度和巖石力學(xué)性質(zhì)的堅(jiān)硬頂板組成，根據(jù)巖層控制關(guān)鍵層理論，一般認(rèn)為關(guān)鍵層控制著其上覆部分或全部巖層的運(yùn)動(dòng)情況，而對(duì)于多層頂板組合結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的判定可用式（1）進(jìn)行計(jì)算[15]：

式中：qk+1、qk分別為計(jì)算到第k+1 層與k 層時(shí)，第1 層關(guān)鍵層所受載荷。

經(jīng)計(jì)算，位于開采煤層頂板上方3 m 處18.4 m厚的中粒砂巖為亞關(guān)鍵層，其巖層厚度以及巖石硬度大于其下方頂板，因此作為160206 工作面的基本頂，其破斷失穩(wěn)將會(huì)對(duì)工作面造成礦壓顯現(xiàn)，而位于直接定下方3 m 厚的粉砂巖為此工作面的直接頂。

3.2 基本頂受力

結(jié)合文獻(xiàn)［16］對(duì)工作面直接頂破斷規(guī)律進(jìn)行研究，從直接頂內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析，進(jìn)而得出基本頂?shù)钠茢嘌莼?guī)律。

工作面自開切眼回采至直接頂初次垮落時(shí)，直接頂懸露呈“固支梁”結(jié)構(gòu)其力學(xué)模型如圖2。

圖2 基本頂初次垮落（固支梁）Fig.2 Initial collapse of basic roof（fixed beam）

x 向應(yīng)力分量σx表達(dá)式為：

式中：q 為固支梁載荷，近似認(rèn)為上覆巖層所施加的平均載荷Pa；h 為固支梁高度m；l 為固支梁長度，m；y 為y 向距離。

固支梁的兩端角部處拉應(yīng)力最大，即巖層將在該處（0，h/2）拉裂，該處的最大拉應(yīng)力σmax為：

根據(jù)梁的最大拉應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則，當(dāng)σmax=RT時(shí)（RT為極限抗拉強(qiáng)度），即巖層在該處的拉應(yīng)力達(dá)到該處的抗拉強(qiáng)度極限，巖層將在該處發(fā)生拉裂，可知直接頂不發(fā)生拉裂的安全跨度l 為：

式中：r 為安全系數(shù)。

這種梁斷裂時(shí)的極限跨距l(xiāng)max為：

固支梁破斷后形成簡支巖梁，根據(jù)最大拉應(yīng)力理論，基本頂周期來壓步距l(xiāng)0為[17]：

式中：μ 為基本頂巖梁的泊松比。

根據(jù)羊場灣160206 工作面參數(shù)資料結(jié)果，基本頂巖層的極限抗拉強(qiáng)度RT=0.86 MPa，將其代入式（5）計(jì)算可得基本頂初次垮落步距為131 m，周期破斷距為38 m。

3.3 直接頂周期垮落步距

基本頂固支梁結(jié)構(gòu)隨工作面推進(jìn)后破斷形成懸臂梁結(jié)構(gòu)的示意圖如圖3。

圖3 基本頂周期垮落（懸臂梁）Fig.3 Periodic collapse of basic roof（cantilever beam）

懸臂梁垮落距l(xiāng)z[18]可用式（7）表示：

根據(jù)羊場灣160206 工作面參數(shù)資料結(jié)果，直接頂巖層的極限抗拉強(qiáng)度RT=0.69 MPa，將其代入式（7）計(jì)算可得直接頂周期破斷距為12 m。

3.4 基本頂回轉(zhuǎn)失穩(wěn)穩(wěn)定性

基本頂失穩(wěn)回轉(zhuǎn)對(duì)下方工作面液壓支架造成明顯的礦壓顯現(xiàn)，“砌體梁-懸臂梁”力學(xué)模型如圖4。

圖4 基本頂回轉(zhuǎn)失穩(wěn)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型Fig.4 Mechanical model of basic roof gyratory instability structure

基本頂周期破斷之后，巖塊之間相互擠壓形成砌體梁結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵塊C 完成一次回轉(zhuǎn)失穩(wěn)至穩(wěn)定后，在于關(guān)鍵塊B 與關(guān)鍵塊C 的咬合處產(chǎn)生摩擦力和水平擠壓力，而位于關(guān)鍵塊B 之下有一段直接頂支撐的懸臂梁結(jié)構(gòu)所提供的支撐力。關(guān)鍵塊A、關(guān)鍵塊C 分別由較穩(wěn)定煤巖層和采空區(qū)矸石穩(wěn)定支撐。

對(duì)覆巖頂板力學(xué)模型進(jìn)行力學(xué)分析，由平衡條件ΣM0=0，ΣFy=0 可得出防止關(guān)鍵塊B 發(fā)生回轉(zhuǎn)直接頂所產(chǎn)生的壓力q2：

式中：T 為關(guān)鍵塊之間的水平推力，N；G1為關(guān)鍵塊B 的自重力，N；q1為基本頂上覆巖層的載荷，MPa；Q2為關(guān)鍵塊之間的摩擦力，N；X1為基本頂?shù)闹芷跀嗔丫?，m；X2為直接頂?shù)闹芷跀嗔丫啵琺；X3為關(guān)鍵塊B 發(fā)生回轉(zhuǎn)后的距離，m；θ 為關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)角度，（°）。

3.5 直接頂受力分析

直接頂“懸臂梁”結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 直接頂力學(xué)模型Fig.5 Direct roof mechanical model

通過對(duì)直接頂力學(xué)模型做力偶平衡ΣM0=0，得到式（9），

式中：p 為液壓支架對(duì)直接頂?shù)淖饔昧?，N；Gp為直接頂?shù)闹亓?，N；X0為液壓支架的合力點(diǎn)到煤壁的距離，m；X2為直接頂懸臂梁結(jié)構(gòu)斷裂距，m；q2為基本頂達(dá)到極限垮落距后，“砌體梁”結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)給予直接頂?shù)膲毫?，N。

在基本頂未達(dá)極限垮落距時(shí)，由于基本頂亞關(guān)鍵層自身強(qiáng)度大，并不會(huì)給下位巖層提供壓力載荷p1，因此；在基本頂達(dá)到極限垮落距后，此時(shí)需要考慮砌體梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)的作用力p2，p=p2。

3.6 液壓支架的工作阻力

正常回采階段，由于基本頂并未達(dá)到極限垮落距，因此液壓支架除需要受直接頂“懸臂梁”結(jié)構(gòu)對(duì)支架的作用力還要承受頂煤的自重。則液壓支架工作阻力pc的計(jì)算公式[18]為：

式中：la為支架控頂距，m；ρa(bǔ)為頂煤密度，t/m3；b為支架中心距，m；hp為直接頂?shù)母叨?，m。

來壓階段，由于基本頂達(dá)到極限垮落距，基本頂連同上兩巖層同時(shí)發(fā)生垮落，基本頂形成3 個(gè)關(guān)鍵塊的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，液壓支架需要提供關(guān)鍵B 未能發(fā)生回轉(zhuǎn)的作用力，還需要直接頂?shù)淖饔昧?。則液壓支架工作阻力pd的計(jì)算公式為：

根據(jù)羊場灣地質(zhì)資料，頂煤的密度為13.8 t/m3，頂煤厚度為5.3 m，支架中心距為1.75 m，頂板斷裂角取63°，將參數(shù)代入式（12）和式（13）計(jì)算得出：①正常回采期間液壓支架工作阻力pc為8 636.323 5 kN ；②來壓期間液壓支架工作阻力pd為12 584.152 kN。

4 支架工作阻力

4.1 工作面支架阻力監(jiān)測

羊場灣礦160206 綜放工作面傾斜長度為227 m，共有131 臺(tái)液壓支架，編號(hào)分別為1#～131#，沿工作面傾向方向，在工作面上部支架（編號(hào)5#、15#、25#、35#）、中部支架（編號(hào)45#、55#、65#、75#、85#）、下部支架（編號(hào)95#、105#、115#、125#）布置觀測站。

每個(gè)觀測站支架壓力記錄儀監(jiān)測支架立柱的工作阻力，實(shí)時(shí)監(jiān)測整個(gè)工作面各個(gè)測站的記錄情況，并且完全記錄支架的降、移、升全過程等。

分析了13 個(gè)分站的支架工作阻力及來壓判距，工作面液壓支架支護(hù)工作阻力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 液壓支架支護(hù)工作阻力數(shù)據(jù)Table 1 Hydraulic support work resistance data

由表1 可知，160206 綜放工作面平均工作阻力為31.45 MPa，來壓時(shí)的判據(jù)為36.31 MPa。

4.2 液壓支架工作阻力

整體液壓支架隨160206 工作面推進(jìn)支架工作阻力如圖6。

圖6 液壓支架隨160206 工作面推進(jìn)支架工作阻力Fig.6 Working resistance of hydraulic support with the advancing of 160206 working face

由圖6 可知：工作面從0 m 推進(jìn)至130.5 m 之前液壓支架的工作阻力并沒有達(dá)到來壓判距36.31 MPa，此時(shí)工作面液壓支架工作阻力是由防止直接頂“懸臂梁”結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的壓力和部分基本頂“懸臂梁”結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的壓力所提供的。

由圖6 可以看出：在130.5 m 處時(shí)工作面支架阻力增大超過來壓判距，此時(shí)工作面初次來壓，由相似模擬和理論分析得出，是由于基本頂隨工作面的推進(jìn)達(dá)到極限垮落距，基本頂本身連同所控制的上部兩巖層同時(shí)垮落，對(duì)工作面液壓支架造成強(qiáng)烈動(dòng)壓。工作面初次來壓階段開始，160206 工作面液壓支架來壓步距見表2。

表2 隨工作面推進(jìn)來壓步距Table 2 Weighting step with the advancing of working face

平均來壓步距為40.9 m，推進(jìn)至500 m 時(shí)一共來壓10 次。

4.3 液壓支架適應(yīng)性

理論計(jì)算液壓支架正常工作阻力為8 636.323 5 kN，來壓時(shí)液壓支架工作阻力為12 584.152 kN，羊場灣煤礦160206 工作面ZF13000/25/43D 型液壓支架所提工的工作阻力與理論計(jì)算較為吻合。160206 液壓支架壓力監(jiān)測分站載荷頻度分析如圖7。

圖7 整體液壓支架壓力監(jiān)測分站載荷頻度分析統(tǒng)計(jì)柱狀圖Fig.7 Bar chart of load frequency analysis and statistics of pressure monitoring sub-station of integral hydraulic support

由圖7 可知：整體液壓支架載荷低阻區(qū)（0～20 MPa）占比1.07%；支架載荷正常工作區(qū)（20～40 MPa）占比94.64%；支架載荷高阻區(qū)（大于40 MPa）占比4.29%。支架載荷分布柱狀圖大體呈正態(tài)分布，符合支架正常運(yùn)行工況。支架整體富余系數(shù)較大，根據(jù)實(shí)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，支架可以滿足現(xiàn)場支護(hù)需求。

5 結(jié) 語

1）深埋厚煤層大采高工作面基本頂未達(dá)極限垮落距之前，直接頂和部分基本頂會(huì)破斷但并未充填采空區(qū)，與上覆巖層形成空隙，其水平推力無法傳遞以致形成倒臺(tái)階形“懸臂梁”結(jié)構(gòu)。

2）基本頂達(dá)到極限垮落距后，基本頂連同上兩巖層同時(shí)跨落充填采空區(qū)，基本頂形成3 個(gè)關(guān)鍵塊的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，直接頂形成“懸臂梁”結(jié)構(gòu)。

3）液壓支架來壓工作阻力一是防止直接頂“懸臂梁”結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)的壓力，二是防止基本頂“砌體梁”結(jié)構(gòu)發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的壓力。

4）羊場灣實(shí)際情況表明，工作面液壓工作阻力滿足要求以及支架載荷大體處呈正態(tài)分布，處于良好的位態(tài)，支架滿足實(shí)際現(xiàn)場需求。