淺談綜采放頂煤支架受力與頂板結構的關系

黃傳賢，劉亞，孫建峰

兗州煤業股份有限公司楊村煤礦

淺談綜采放頂煤支架受力與頂板結構的關系

黃傳賢，劉亞，孫建峰

兗州煤業股份有限公司楊村煤礦

本文主要分析了綜采放頂煤支架受力與頂板結構的關系，闡述了綜放采場支架載荷的力學機理，針對綜采方支架架型設計的實際情況，對設計方案提出了自己的觀點，以供參考。以期通過本文的分析能實現對綜放支架的設計和選型具有實際指導意義的效果。

頂板結構；支架受力；厚度

煤炭資源是我國的重要能源，長久以來是我國經濟社會發展不可缺少的物資儲備，目前我國的煤炭儲量相對比較豐富，占世界儲量的11.60%，總量為5.6萬億噸，其中探明儲量為1萬億噸，我國不僅僅是產煤大國，同時也是煤炭消費大國。然而，高效和安全的煤炭開采方法一直是困擾我國煤炭企業的大難題。在我國煤層逐步開始使用和推廣綜采放頂煤技術的大前提下，解決厚煤層高效和安全等問題，將是這一技術高速發展的突破口，進行逐步完善，讓其成為適應我國煤層開采的主要方法。“九五”期間，高效的綜采放頂煤技術已成為我國重點攻關的課題，綜放支架架型設計也屬于攻關的重要內容。在綜放支架設計上目前存在兩種主流觀點：一是頂板壓力必須進行增大，認為放頂煤采出厚度偏大；二是認為由于放頂煤采場冒落矸石的厚度大，整個頂板的壓力被緩沖掉了，壓力隨之變小了。在這個壓力變大還是變小的問題上，已經成為綜放支架設計和選型的重要問題，我們需要進行大量的現場調研和觀測，從頂板運動的角度出來，來深度剖析這一問題。

1.頂板結構與壓力的關系

放頂煤開采是一個高效、低成本、安全的煤層開采方法，在經過多年的實際開采和理論研究，已積累了大量的經驗。這些成果較全面的反映了各類頂板在不同條件下的壓力顯現規律，為放頂煤開采技術奠定理論基礎，推動放頂煤開采技術的健康穩定發展。雖然這些經驗的積累，能較為全面的概括在不同頂板條件下的壓力規律，但這些經驗對于綜放支架設計上，還不能成為完善可靠的理論和技術體系。本文通過在多年研究經驗的基礎上，針對支架設計和選型的需要，來對頂板結構與支架架型的關系進行論述。

1.1 頂板結構模型

目前大多數經驗研究都認定，直接頂的厚度由于受到了放出率的控制,直接頂的上方會出現一個傳遞力的結構，如圖1所示：當煤層覆蓋的直接頂較薄、直接頂上方后巖層的情況，結構就會出現變異，直接頂內沒有其他小結構的存在，所有作用力全部由支架承擔，在采空區域填充不滿的情況下，如果堅硬的老頂出現運動時，將會引起很大的沖擊。

（圖1）巖層參數與狀態

根據公式：Mz=H+T-SA-G/K-1

其中，Mz——直接頂厚度；H——高度；T——頂煤厚度；G——殘煤厚度；SA——老頂在觸矸的沉降量。

一般情況下，SA=0.15～0.25h，頂煤采場，h=H+ηT，η為頂煤的放出率，頂板采場，SA=0.25h,形成G與回收量表的關系為η=1-G/ TKm，Km是頂煤垮落后的碎脹系數，K為矸石碎脹系數。K=1.2～1.4。舉例某礦頂面碎脹系數為12.SA=0.h,KA=1.3,H=2m,那么直接頂的厚度就可以表示為：Mz=5.3+3.33T(η-0.2)。

1.2 一般結構下的支架與圍巖的關系

這種結構下的支架載荷是由頂煤重量、直接頂和老頂間的接觸力、以及部分或全部的直接頂作用力組成。可以表示由以下公式表示：

P——支架載荷B——頂煤重量，B=Tγt，γt為頂煤厚度，是煤容重。L——為直接頂作用力，在直接頂所占內存處于小結構狀態時，L=eγz，在不存在小結構時，L=Mzγz。其中，e為未成供直接頂厚度的小結構，Mz為直接頂的全部厚度，γz為直接頂容重。如果出現采場直接頂厚度很大，那么在支護設計時，就要考慮到可擇較小的Pc，甚至可使Pc 0。因為上部直接頂形成的小結構會承擔出一部分頂板的作用力。另外，Pc的選擇還與煤層的硬度有關，為了防止片幫，軟煤層條件下可選擇較大的Pc值。在一般情況下，結構下的采空區是屬于充填較實的狀態下的，采場內不會有太大的沖擊載荷，支架受載都是靜壓為主，動載系數值則在1.0～1.6區間。

2.支架受力與頂板結構關系

通過一系列的數據分析，我們可以得出結論，綜放面頂板壓力不僅僅是與頂板的結構有關聯，還與采空區的充填狀態有關，在面對一般情況下支架設計和選擇時，可用（公式X）為基礎要素，根據實際情況來進行硬度的調整，達到最優狀態。在這種結構下水平推力不會成為主要矛盾的產生，更不會出現大的沖擊載荷。

3.分析結論

在經過現場的一系列實測與分析，我們認為需要建立正確的頂板結構力學模型，來為支架設計、選型來奠定基礎，針對頂板結構以及其運動規律，不同情況，不同分析，進行合理的支架設計，摸清采放頂煤支架受力與頂板結構的關系，是對開采現場綜合水平的提高。對可能形成頂板結構形式的影響因素進行探討研究，不能簡單的采用死搬硬套的形式，要考慮到多方面原因：是否是支架載荷與分層開采的大小問題，還是支架載荷與支架控制頂板的狀態有關，以及支架的受力程度是否受到頂點結構的影響，放眼各個采場對于控制頂板狀態的要求不同，具體問題進行具體分析。在我國開采條件的多樣性情況下，不應該只局限與一種或少數的幾種方法來解決問題，老的模式只適合在原始的情況下，要根據新的實際技術需要，對設計進行改造，為其打造一個與之相適應的、且高效安全的具有綜合優勢的模式。

結束語：

本分淺析了在綜采放頂煤過程中，支架與頂板結構的關系，通過從各角度的分析，來對文中觀點進行論述，本文部分參數的選取是特定值，根據實際情況的不同，可以以本參數為基準，進行更符合實際的調整，擴大綜采放頂煤開采技術在不同條件下的應用范圍，為該技術的發展發揮積極推動作用。

[1]劉靜波.綜采工作面放頂煤技術回采工藝淺析[J].城市建設理論研究（電子版）,2013,(2).

[2]楊淑華,姜福興.綜采放頂煤支架受力與頂板結構的關系探討[J].巖石力學與工程學報,2009,18