大傾角大采高綜采工作面支架工作阻力分布特征研究＊

曲秋揚(yáng) 毛德兵

（天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013）

近年來(lái)，隨著回采工藝和開(kāi)采裝備的發(fā)展，大傾角大采高工作面逐漸增多。其中，支架的穩(wěn)定性成為實(shí)現(xiàn)該類(lèi)工作面安全高效回采的關(guān)鍵，而合理確定支架的工作阻力是實(shí)現(xiàn)支架穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。

隨著工作面傾角的加大，尤其當(dāng)傾角超過(guò)自然安息角 （一般認(rèn)為35°）時(shí)，頂板垮落矸石向工作面下端頭滾滑，形成采空區(qū)下部充實(shí)、中部部分充填、上部懸頂?shù)木置?。采空區(qū)充填的不一致性使得工作面支架工作阻力承受動(dòng)靜載荷大小不同，沿工作面方向支架工作阻力分布具有異于緩傾斜工作面的特點(diǎn)。

1 工程背景

花山煤礦4238工作面為川煤集團(tuán)攀枝花分公司首個(gè)大傾角大采高工作面。該工作面平均埋深530m，平均走向長(zhǎng)度646m，平均傾斜長(zhǎng)120m，平均傾角為39.5°，平均煤厚4.2 m，煤層賦存較為穩(wěn)定。煤層基本頂為細(xì)砂巖，厚度為9.2m，直接頂為泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖與粉砂巖互層，厚度為14m，直接底為泥質(zhì)粉砂巖和煤線(xiàn)層。

2 支架工作阻力分布特征

2.1 頂板破斷特征分析

在彈性力學(xué)中，薄板實(shí)際上是指中等厚度的板，其厚度t與板面最小尺寸min （a，b）之比大約在1／100～1／5之間。研究表明，當(dāng)巖板t／b≤1／3時(shí) （t為巖板的厚度，b為巖板短邊長(zhǎng)度，a 為巖板長(zhǎng)邊長(zhǎng)度），使用薄板理論方法計(jì)算。根據(jù)花山煤礦實(shí)際開(kāi)采條件，直接頂隨采隨冒，基本頂滿(mǎn)足薄板理論使用條件。

對(duì)于頂板在初次來(lái)壓前，頂板的約束條件為四邊固支。對(duì)于四邊支承的板，當(dāng)其有兩個(gè)方向的跨度之比在1／2≤Lx／Ly≤2時(shí)，應(yīng)該考慮頂板走向和傾向的載荷，這樣的板通常稱(chēng)為雙向板。根據(jù)工作面條件，將其作為雙向板考慮，即考慮走向破斷特征和傾向破斷特征。

由于大傾角的存在，將基本頂作為四邊固支的斜板模型，利用彈性力學(xué)相關(guān)理論進(jìn)行計(jì)算，分析頂板初次垮落特征，沿工作面走向方向有：

工作面頂板沿傾斜方向發(fā)生破斷的范圍有：

式中：L——基本頂初次來(lái)壓垮落步距，m；

H ——對(duì)基本頂巖層變形作用的巖層厚度，取530m；

h1——基本頂巖層的厚度，取9.2m；

σt——基本頂巖層的極限抗拉強(qiáng)度，取4.8 MPa；

γ——基本頂巖層的容重，取27.2×104N／m3；

l10——巖板發(fā)生初次破斷時(shí)，斷裂位置距下端頭的距離，m；

l20——巖板發(fā)生初次破斷時(shí)，斷裂位置距上端頭的距離，m；

A——工作面長(zhǎng)度，取120m；

k——雙向板破斷影響系數(shù)，與板厚寬比有關(guān)。

將各數(shù)據(jù)代入式 （1）和式 （2），計(jì)算得初次來(lái)壓垮落步距L 為45.05m，l10為29.32m，l20為21.48 m。即沿工作面傾斜方向在距下端頭29.32m和距離上端頭21.48m之間頂板巖層會(huì)發(fā)生斷裂。

根據(jù)理論分析可知，大傾角大采高工作面頂板破斷長(zhǎng)度為69.2m （破斷部分的長(zhǎng)度），僅占工作面全長(zhǎng)的57.7%。對(duì)于工作面破斷范圍內(nèi)的支架，將承受直接頂?shù)撵o載荷及老頂回轉(zhuǎn)造成的動(dòng)載荷，而兩端則以靜載荷為主，因此，支架工作阻力的分布特征應(yīng)具有 “中間大、兩端小”的特點(diǎn)。

2.2 工作阻力分布特征分析

根據(jù)大傾角大采高工作面頂板破斷特征，在頂板垮落范圍內(nèi)，支架同時(shí)承受支架上方直接頂靜載荷與老頂破斷回轉(zhuǎn)作用在支架上的動(dòng)載荷，而在工作面上下兩端頭由于頂板未發(fā)生垮落，則下方支架以承受靜載荷為主，動(dòng)載荷作用較小。

工作面頂板發(fā)生垮落的范圍內(nèi)，由于下部采空區(qū)充實(shí)，中上部充填不實(shí)，因此老頂回轉(zhuǎn)空間不一致致使動(dòng)載荷大小不一。

工作面上部范圍內(nèi)，基本頂未發(fā)生破斷垮落，但由于臨近基本頂垮落，因此與相鄰上覆巖層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，造成該段基本頂及上覆巖層以裂隙帶形式存在，而不能形成承載機(jī)構(gòu)，因此該段覆巖主要以靜載荷的形式作用在下方支架上，且覆巖厚度與中部垮落帶厚度相差不大。該處支架工作阻力的確定：

工作面中部，基本頂發(fā)生破斷，支架承受直接頂靜載荷和老頂破斷回轉(zhuǎn)動(dòng)載荷，因此動(dòng)載系數(shù)較兩端大，該處支架工作阻力的確定：

工作面下部范圍內(nèi)，采空區(qū)充實(shí)，基本頂破斷回轉(zhuǎn)空間較小，動(dòng)載荷較小，該段支架以承受靜載荷（同工作面上部類(lèi)似）為主，動(dòng)載系數(shù)較小，該處支架工作阻力的確定：

式中：P上、P中、P下——支架工作阻力，kN；

h上、h中、h下——工作面垮落帶高度，m；

“一點(diǎn)活計(jì)也沒(méi)有，我穿這一件短衫，再?zèng)]有替換的，連買(mǎi)幾尺布的錢(qián)也攢不下，十天一交費(fèi)用，那就是一塊五角。又老，眼睛又花，縫得也慢，從沒(méi)人領(lǐng)我到家里去縫。一個(gè)月的飯錢(qián)還是欠著，我住得年頭多了！若是新來(lái)，那就非被趕出去不可?！彼咭粭l橫道又說(shuō)：“新來(lái)的一個(gè)張婆，她有病都被趕走了。”

γ——頂板容重，取2.72×l04N／m3；

l——頂梁長(zhǎng)度，取4.5m；

b——頂梁寬度，取1.75m；kd上、kd中、kd下——?jiǎng)虞d系數(shù)，分別為1.5，1.7，1.4；

α——工作面傾角，取39.5°。

根據(jù)式 （3）～式 （5）可知，大傾角工作面支架的工作阻力與其頂板垮落高度成正相關(guān)，為研究該類(lèi)條件下工作面頂板垮落高度，利用三維數(shù)值模擬軟件建立三維模型，并開(kāi)挖至見(jiàn)方，使其頂板充分破斷。模擬結(jié)果說(shuō)明，工作面下端頭頂板以拉伸破壞為主，工作面中部和上部頂板以剪切破壞為主，沿工作面方向頂板垮落高度為25m。

因此，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，利用理論公式進(jìn)行計(jì)算，可得大傾角工作面各段支架的工作阻力值：P上=6185.1kN，P中=7009.7kN，P下=5772.7 kN。

3 工程實(shí)踐

花山煤礦4238工作面依據(jù)上述工作阻力確定方法，選取工作面中部最大工作阻力，并賦予1.2的安全系數(shù)，確定支架的工作阻力為8600kN，選ZY8600／26／56液壓支架，支架初撐力6414kN。

利用礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)全工作面所有支架進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析傾斜方向支架工作阻力的分布特征及支架適應(yīng)性。工作面測(cè)站具體布置見(jiàn)圖1。

圖1 礦壓觀測(cè)站布置示意圖

對(duì)工作面初次來(lái)壓時(shí)所有支架的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，可得到沿工作面方向分區(qū)特征及各區(qū)段支架的平均工作阻力，具體情況見(jiàn)圖2。

圖2 大傾角工作面初次來(lái)壓區(qū)域性劃分圖

由圖2可以看出：

（1）工作面支架工作阻力具有明顯分區(qū)特性，而且具有 “中間大、兩端小”的特點(diǎn)。最大平均來(lái)壓強(qiáng)度為7143.4kN，同理論計(jì)算的7009.7kN（P中）較為接近。下端頭支架工作阻力大于上端頭支架工作阻力，同理論計(jì)算出入較大，這是由于下端頭排頭架工作面支架處于過(guò)渡段，傾角變小，頂板垂直作用于支架工作阻力增加，出現(xiàn)下端頭平均來(lái)壓強(qiáng)度增大的特點(diǎn)。

（2）工作面下部區(qū)段分布范圍為1＃～23＃支架，長(zhǎng)度范圍為40.25m，大于理論計(jì)算的頂板未破斷范圍29.38m，說(shuō)明其他區(qū)域被矸石充實(shí)，所以支架來(lái)壓強(qiáng)度?。簧喜糠植挤秶鸀?2＃～67＃支架，長(zhǎng)度范圍為26.25m，與理論計(jì)算值21.42m相差4.83m，較為接近。

（3）支架來(lái)壓最大工作阻力在8500kN 左右，說(shuō)明確定支架額定工作阻力8600kN 較為合理，能夠滿(mǎn)足工作面安全生產(chǎn)需求。工作面支架阻力確定合理，說(shuō)明對(duì)支架分布特征研究的正確性，同時(shí)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。

4 結(jié)論

（1）利用彈性力學(xué)薄板理論分析了大傾角大采高工作面頂板破斷規(guī)律，得到頂部分別距離下端頭29.32m、21.48m 發(fā)生破斷，從理論上解釋了工作面支架工作阻力呈現(xiàn) “中間大、兩端小”的特點(diǎn)。

（2）理論分析大傾角工作面兩端頂板未破斷區(qū)和中部頂板破斷區(qū)支架工作阻力分布特征，利用數(shù)值模擬分析大傾角大采高工作面頂板垮落高度，并利用估算法確定大傾角大采高工作面最大工作阻力值為7009.7kN。

（3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得到工作面支架工作阻力具有明顯分區(qū)特點(diǎn)，且具有 “中間大、兩端小”的特點(diǎn)，下端頭支架較大是由于工作面處于過(guò)渡段，工作面傾角變小，頂板垂直作用力增大；分區(qū)范圍同理論計(jì)算較為接近；支架工作阻力確定合理，適應(yīng)性較好，且實(shí)測(cè)平均來(lái)壓強(qiáng)度與理論計(jì)算十分接近，說(shuō)明結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行理論計(jì)算確定大傾角大采高工作面支架的工作阻力具有可靠性。

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