大采高工作面液壓支架工作阻力的計算與分析

趙 晨

（山西煤炭運銷集團裕興煤業有限公司，山西 晉城 048000）

1 工作面概況

裕興煤業15203工作面位于井田二采區中部，南側靠近F1斷層，西側為采區大巷，東側為井田邊界。15203工作面位置如圖1所示。工作面設計長度為280 m，采高為4.2 m，可采長度為1 500 m，工作面區域煤層埋藏深度為240～460 m。工作面無其他地質構造，巖層傾角平均為3°～8°，頂底板巖層賦存條件相對穩定，頂板為K2灰巖，局部為黑色泥巖，完整性好，底板為泥巖或粉砂巖。

圖1 15203工作面布置圖

2 支架工作阻力計算方法

2.1 方法選取

選取思路為先采用理論計算方法初步求得支架工作阻力，然后綜合堅硬頂板、大采高因素，適當修正計算結果，還要留出富裕系數用來抵消特殊地質條件及現場管理不強等因素，再次完善計算結果，最后結合數值模擬分析和現場實測數據[1-2]，確定15203工作面支架工作阻力的取值。

2.2 理論計算

2.2.1 采高容重法

采高容重法是以支架控頂距內全部直接頂的巖重及基本頂來壓時形成的額外載荷為阻力計算依據。在周期來壓影響較低時取低倍數，周期來壓劇烈時取高倍數。

根據收集的資料，裕興煤業15203工作面為大采高綜采工作面，工作面周期來壓較為劇烈，因此計算時采用高倍數。另外，根據收集的資料可知，工作面頂板巖石容重為2.5 t/m3，重力加速度g取9.8 m/s2，支架頂梁長度為4.195 m，最大控頂距時梁端距為0.9 m，中心距為1.5 m，則采高為4.2 m時支架工作阻力如下：P=PtS=8×4.2 m×2.5 t/m3×（0.9 m+4.195 m）×1.5 m=641.97 t=6 291 kN。其中，P為支架工作阻力，單位為kN；Pt為支架工作強度，單位為kN/m2，Pt=8Hr，8為常數，H為煤層采高，取4.2 m，r為體積力，取2.5 t/m3；S為支護面積，單位為m2，S=（梁端距+頂梁長度）×中心距。

2.2.2 實測統計法

根據堅硬頂板礦壓理論可知，同層堅硬頂板可被看作連續介質，按照巖梁和巖板建立其計算模型。根據實測，上一個工作面初次垮落步距為32 m，由于工作面長度和煤層埋深增加，15203工作面長度為280m，初次垮落步距會相對變小，根據經驗取Lf=28m；基本頂厚度取5.9 m；支架最大控頂距為5.095 m；備用系數CK，按1.5考慮。

1）頂板初次來壓時，支架延米支護阻力RH1如下：

式中：L0為初次來壓步距，在老頂厚度為14.96 m時取L0=28 m；H為基本頂厚度，本工作面取5.9 m；R為最大控頂距，取5.095 m；p0為頂板巖層抗拉強度，取1.8 MPa；q為載荷集度，取376 kN/m2。

通過計算可得：RH1=5 089.9 kN/m。

支架工作阻力公式如下：式中：P為支架工作阻力，kN；b為支架中心距，取1.5 m。

代入數據可得：P=7634.8 kN。

2）頂板周期來壓時，支架延米支護阻力RH2如下：

式中：L為周期來壓步距，按18 m計算。

代入有關數據得：RH2=4779.2kN/m，P=7168.8kN。

2.2.3 砌體梁結構分析法

按照砌體梁學說，工作面支架必須能夠提供足夠支撐力來避免頂板發生離層現象，還要讓頂板巖層形成“砌體梁結構”對基本頂施加作用力，以平衡其部分載荷，防止發生工作面切頂及臺階下沉問題。

根據收集的地質資料，裕興煤業15203工作面直接頂厚度為5.4～7.8 m，計算時，取直接頂厚度為7.8 m，頂板巖石容重為2.5 t/m3，重力加速度g可取9.8 m/s2，支架最大控頂距為5.095 m，周期來壓步距為18 m，tan（φ-θ）為巖塊間的內摩擦角，一般為0.6。

支架工作強度計算公式如下：

式中：h為直接頂厚度，m；r為體積力，kN/m3；H為采高，m；φ為巖塊破斷角，（°）；L為周期來壓步距，m；R為控頂距，m；θ為巖塊間摩擦角，（°）；δ為巖塊回轉下沉量，取0.97 m；Q為工作面頂板上方裂隙帶下位巖層中暴露巖塊的全部重量，取10 764 kN。

故支架工作阻力依據下式計算可得：P=PtS=6759 kN。

2.3 考慮富裕系數修正支架工作阻力

考慮到15203工作面初采、過構造、過空巷、大傾角及末采階段等特殊地質條件及工作面開采強度大、推進速度快時，支架管理可能不到位，因此進行支架工作阻力計算時，應當考慮一定的富裕系數。

根據《礦山壓力與巖層控制》教材可知，液壓支架支撐效率Ks為0.9。則液壓支架實際所需工作阻力如下：

1）采高容重法：P1=P/Ks=6 291÷0.9=6 990 kN≈7 000 kN。

2）實測統計法：考慮堅硬頂板影響延米支護阻力計算支架工作阻力。頂板初次來壓時，P1=P/Ks=7 634.8÷0.9=8 483 kN≈8 500 kN；頂板周期來壓時，P2=P/Ks=7 168.8÷0.9=7 965 kN≈8 000 kN。

3）砌體梁結構分析法：P1=P/Ks=6 759÷0.9=7 510 kN≈7 600 kN。

通過采用采高容重法、實測統計法和砌體梁結構分析法等方法對裕興煤業15203綜采工作面支架工作阻力進行理論計算。根據計算結果可得，15203綜采工作面所需支架工作阻力最低為7 635 kN。若考慮過構造、過空巷、開采強度加大、推進速度快及支架初撐力管理可能不到位導致支架阻力分布不均勻等異常情況，采用富余系數0.9對支架工作阻力進行修正，則所需支架工作阻力最高為8 500 kN。

2.4 支架工作阻力模擬分析

2.4.1 數值模擬方案

采用FLAC3D的數值模擬方法，模擬15203工作面液壓支架工作阻力分別為0 kN、6 800 kN及8 000 kN時的工作面垂直應力分布規律及垂直位移分布規律[2]。

2.4.2 數值模擬結果

1）15203工作面垂直應力分布規律：由模擬結果可得，工作阻力為6 800 kN時，端頭垂直應力最高為17.31 MPa，除端頭外，工作面垂直應力最高為14.64 MPa，最低為8.044 MPa；工作阻力為8 000 kN時，端頭垂直應力最高為17.32 MPa，除端頭外，工作面垂直應力最高為14.71 MPa，最低為8.079 MPa。由此可得，工作面端頭及中間位置為應力集中部位，在實際開采過程中應注意加強支護，做好頂板管理工作。

2）15203工作面垂直位移分布規律：由模擬結果可得，當工作阻力由0 kN增加到6 800 kN時，最大垂直位移由0.65 m減小到0.47 m，減小幅度為27.7%；當工作阻力由6 800 kN增加到8 000 kN時，最大垂直位移由0.47 m減小到0.30 m，減小幅度為36.2%。當支架工作阻力為6 800 kN時，工作面部分區域垂直位移較大，不利于頂板的管理；當支架工作阻力為8 000 kN時，工作面垂直位移相對較小，基本上處于可控范圍內。

根據理論計算和數值模擬結果，綜合判定15203綜采工作面支架工作阻力不宜小于8 000 kN。

3 結論

1）首先明確了支架工作阻力理論計算初步結果加影響因素修正，然后用數值模擬計算和實測數據論證綜合判定得出阻力數值的方法思路。

2）15203工作面長度為280 m，結合埋深影響因素，確定15203綜采工作面支架工作阻力為8 500 kN。工作面現有ZZ6800/20.5/45型支撐掩護式液壓支架不能滿足工作面的頂板管理要求。

3）工作面在回采過程中可能遇到特殊地質條件區域，綜合現場支架操作及管理不到位的影響因素，建議埋深在400 m以下區域布置工作面長度不宜超過200 m，液壓支架工作阻力不低于8 000 kN。