大采高采場覆巖結構建模與支護設計的適用性分析及應用

王志強

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業有限公司，山西 寧武 036700）

厚煤層的開發利用程度在很大程度上決定著我國煤炭的技術研究和經濟效益。大采高技術以其高產、高效、低成本的特點在我國礦山中得到了廣泛應用[1-2]。但大采高工作面與常規綜采工作面存在明顯差異，頂板壓力過大、支護穩定性差等不良問題阻礙了綜采工作面開采潛力的進一步釋放[3]。

為了找到解決大型礦山支護穩定性問題的方法摘要在對大采高采場上覆巖層結構進行建模的基礎上，研究了大采高采場上覆巖層結構及其移動規律，建立了不同頂板控制要求下的支護強度和支護屈服設計準則。目的是為大采高采場選擇合適的支護形式提供理論參考。

1 大采高采場覆巖結構模擬

1.1 直接屋頂和主要屋頂的結構測定

采動高度的變化導致上覆巖層移動空間、巖塊旋轉角度和裂隙發育的變化。大采高厚煤層開采時，隨著一次開采厚度的大幅度增加和采空區空間的增大，直接頂板的陷落帶和主頂板的裂隙移動帶也會大幅度增加。原直接頂在塌落后不夠大，無法填滿采空區，在上覆巖層中留下很大的革命性空間。這樣，直接頂板的部分巖層就可以變成直接頂板。這就增加了直接頂板出現大跨度懸掛頂硬巖的可能性；屋頂的范圍主要影響采場的地層行為將減少，相關從采場直接頂的高度將會增加，和采場暴露的可能性引起的動壓影響斷層運動將會顯著降低。此時上覆巖層結構模型如圖1所示，直接頂出現大跨度懸架頂[4]。

圖1 “單關鍵層”采場結構示意圖

直接頂板一般定義為采空區所有落體巖層的組合，其傳遞力在前進方向上不能保持連通，重量完全由支架承載。主頂板是指在推進方向上傳遞力始終保持連通的巖層，對采場巖層行為有顯著影響。因此，前面直接頂板的定義不再適用于開采高度較大的開采作業。在這個操作中，直接頂板必須被定義為采空區所有落體巖層的組合，其中傳遞力不能在前進方向上保持聯系，重量全部或部分由支架承載。

1.2 主頂板測量范圍

若上覆巖層為周期性破壞的“單關鍵層”結構，則支護壓力與推進步長之間會出現單周期波動；如果上覆巖層是“雙關鍵層”結構，不定期，支架阻力概要文件將周期性的波動，如下頁圖2所示，其中一個小波動表示地層行為以應對失敗的底層關鍵層，和一個大波動率代表地層上覆關鍵層的行為以應對失敗。

圖2 不同關鍵層破壞對地層動態的影響

2 大采高采場頂板控制設計

采場的“支護-覆巖”關系包括直接頂板的支護控制和主頂板的支護控制。這種控制是通過直接頂板的“給定荷載”和主頂板的“給定變形”或“有限變形”來實現的。當采用大采高時，由于直接頂會出現的大跨度懸掛頂，為了保證支架的安全有效服務，直接頂也會出現“給定變形”或“有限變形”，如圖3所示。

圖3 “雙關鍵層”采場結構示意圖

2.1 直接頂板控制設計

2.1.1 通過“給定變形”控制

直接頂穩定時的位置狀態取決于直接頂的強度和兩端的支護強度。也就是說，支架屈服量足以承受直接頂的沉降，而支架阻力不足以抵抗直接頂的沉降，不能將其移動速度限制在一定程度。

當采場相對平衡時，支護平衡方程是根據力學平衡建立[5]。

2.1.2 “有限變形”控制

直接頂穩定時的位置狀態是由支架的支護強度決定的。也就是說，支撐物必須有足夠的強度來抵抗直接頂的下沉。

2.2 主要頂板控制設計

2.2.1 通過“給定變形”控制

矸石及關鍵層是否穩定移動取決于關鍵層的強度和兩端的支護強度。在關鍵層從端部破壞到下沉到最終位置的整個移動過程中，支護只能降低關鍵層的移動速度，而不能阻止關鍵層的移動。

控制部分是通過“給定變形”實現時，整個關鍵層移動過程中支護力與頂板壓力的關系為：

因此，在關鍵層從移動到再穩定的整個過程中，盡管可以推導出支架屈服量，但不能建立支架荷載與頂板壓力的直接關系方程。

2.2.2 “有限變形”控制

關鍵層端部不與矸石接觸、關鍵層穩定移動時的位置狀態受采場支護阻力的限制。控制部分是通過“有限變形”實現時，支架屈服與頂板沉陷之間建立關系如下：

如上所述，支護類型設計應識別上覆巖層結構，即應采用“有限變形”還是“給定變形”；當采用“有限變形”時，必須定義阻力。即必須通過“有限變形”來定義支撐阻力。即支護阻力應足夠強，以控制主頂板的關鍵層在打壓時的下沉，使其達到一定水平，以排除打壓時沖擊的可能性；支架屈服必須通過“給定變形”來定義。關鍵層與矸石接觸時，屈服量必須充分容納采場頂板的最大下沉量。

3 大采高采場支架支護工作阻力的測定

3.1 大采高綜采覆巖結構分析

影響采場巖層行為的巖層是有限的、可知的、多變的。實際應用表明，對采場巖層行為有顯著影響的巖層僅限于很小一部分上覆巖層，包括“直接頂板”和“主頂板”。根據與支護距離、采場“主頂板”的巖性和巖層厚度的不同，上覆巖層結構可分為“硬-硬”、“弱-硬”、“硬-弱”和“弱-弱”。后兩個是為“單關鍵層”結構，前兩種為“雙關鍵層”結構。

3.2 大采高采場支護頂板控制設計規范

大采高采場支護頂板控制設計的關鍵在于防止動壓沖擊。根據大采高采場結構力學特性，建立大采高采場支護頂板控制設計準則。

3.2.1 “單關鍵層”結構

在主頂稱重時，必須有足夠的支撐來控制主頂的“給定變形”提供直接屋頂的“有限變形”。基于力學平衡建立支護平衡方程：

式中：mcoal和ρcoal分別為殘余頂板煤的厚度和密度。

3.2.2 “雙關鍵層”結構

在主頂板加力時，必須有足夠的支護強度來控制上覆關鍵層的“給定變形”，同時提供關鍵層的“有限變形”，支架的支撐強度為：

3.3 實際應用

根據上述模擬分析及設計，以望云煤礦14號煤礦高采場工作面為例進行實際應用，上覆巖層為“雙關鍵層”結構，平均煤層厚度5.6 m，采高5.5 m，直接頂為11.2 m厚細粒砂巖和砂質泥巖；主頂板部分包括兩個關鍵層：下覆巖層為10.2 m厚中粒砂巖，上覆關鍵層為堅硬的粗粒砂巖。工作面主頂板第一次打壓步長為64.69 m；周期加權步長為41 m。工作面采用ZZ13000/28/60支護式液壓支架，頂板控制距離5.889 m，額定工作阻力13 000 kN，最大屈服量3.2 m。

頂板首次打壓發生在工作面推進50 m時。由于支架抗壓能力不足，工作面中頂板巖石沿煤壁下切，支架上覆矸石嚴重垮落，部分支架損壞，支柱剝落。因此，有必要再次計算正確類型的支撐。通過“有限變形”來定義阻力來選擇支撐類型，通過主頂上覆關鍵層的“給定變形”來確定屈服，以防止支架破壞。圖4為支架工作阻力隨工作面推進的變化規律。所選支護形式合理，經實際應用證明效果良好。

圖4 支架的工作阻力的行為

4 結語

隨著開采高度的增加，直接頂厚度會大幅度增加，直接頂出現大跨度懸頂硬巖的可能性也會增大。大采高采場的支護設計在很大程度上取決于上覆巖層的結構。因此，確定支架的工作阻力是很重要的，支架工作阻力與巖層運動要保持一致。因此，通過“有限變形”來確定支護工作阻力，防止關鍵巖層破壞引起動壓沖擊，通過“給定變形”來確定支護屈服，是一種較好的方法。