葛鋪礦14－1103綜采面老頂來(lái)壓步距預(yù)測(cè)及實(shí)踐

王金龍

（山西焦煤集團(tuán)投資有限公司 正利煤業(yè)，山西 呂梁030053）

1 工作面概況

14－1103綜采工作面為正利煤業(yè)葛鋪煤礦一采區(qū)綜采工作面，位于14－1101綜采工作面以西，一采區(qū)軌道上山以南，南鄰礦界，東西皆為未開采的實(shí)體煤，工作面煤層標(biāo)高為642.8～717.7m，低于奧灰水靜止水位標(biāo)高，屬于帶壓開采。14－1103工作面煤層整體呈單斜構(gòu)造，走向近南北，傾向東，傾角6°～10°，平均傾角8°，工作面走向長(zhǎng)度2212.7m，傾斜長(zhǎng)度180m，煤層厚度平均為3.04m。在工作面的回采區(qū)域范圍內(nèi)，煤層沿走向存在波浪起伏變化，煤層頂?shù)装宥酁樯百|(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖或泥巖，頂板巖石較完整，煤層易片幫，頂板易冒落。煤層綜合柱狀見(jiàn)圖1。

工作面支護(hù)情況：本工作面選用支撐掩護(hù)式電液控液壓支架，工作面切眼長(zhǎng)180m，工作面開采之初布置130臺(tái)支架：其中軌道順槽布置8臺(tái)ZTC10000／18／38型超前支架，工作面布置6架ZZ6000／18／38D型過(guò)渡支架，115架ZZ6000／18／38D型中間架，1組 ZT12000／18／38型過(guò)渡支架，膠帶順槽布置8架ZTC10000／18／38型超前支架。

圖1 煤層綜合柱狀

2 老頂力學(xué)模型建立

在煤炭開采過(guò)程中，采場(chǎng)直接頂隨著工作面的推進(jìn)發(fā)生冒落，老頂逐漸懸空并在其上覆巖層的載重作用下發(fā)生彎曲變形。當(dāng)工作面的推進(jìn)距離達(dá)到老頂?shù)臉O限時(shí)，老頂巖梁發(fā)生斷裂。老頂梁式斷裂，可采用材料力學(xué)方法求得。

老頂在初次垮落時(shí)，老頂巖梁兩端都固支在煤壁中，相當(dāng)于固支梁，其受力分析見(jiàn)圖2。

圖2 巖梁上任意點(diǎn)的應(yīng)力分析

3 老頂垮落時(shí)極限跨距力學(xué)分析

3.1 老頂初次垮落極限跨距

已知梁內(nèi)任意點(diǎn)的正應(yīng)力б為：

式中：M為該點(diǎn)所在端面的彎矩；y為該點(diǎn)離端面中性軸的距離；JZ為對(duì)稱中性軸的端面矩。

當(dāng)бmax＝RT時(shí)，即巖層在該處的正應(yīng)力達(dá)到該處的抗拉強(qiáng)度極限，巖層將在該處拉裂。為此，這種梁斷裂時(shí)的極限跨度為：

固定梁，考慮彎矩、正應(yīng)力。

若以最大剪應(yīng)力作為巖層斷裂依據(jù)，最大剪切力發(fā)生在梁的兩端，。因此，最大剪切應(yīng)力

當(dāng)（τxy）max達(dá)到極限強(qiáng)度Rs時(shí)，形成的極限垮落距為：

固定梁，考慮剪切破壞

當(dāng)бmax＝Rr時(shí)，梁達(dá)到極限跨距LlT：

簡(jiǎn)支梁，考慮彎矩、正應(yīng)力

顯然，在相同條件下，由簡(jiǎn)支梁計(jì)算所得的極限跨距LlT要比由固定梁計(jì)算所得的小。由于彎矩形成的極限垮落距LlT要比剪切應(yīng)力形成的極限跨距LlS小，因此常常按彎矩來(lái)計(jì)算極限跨距。

3.2 老頂周期來(lái)壓懸臂梁式斷裂時(shí)的極限跨距

已有的研究中，對(duì)于老頂?shù)闹芷趤?lái)壓，老頂巖梁一端固支在煤壁中，而另一端通常已經(jīng)發(fā)生斷裂，處于懸空狀態(tài)，故老頂周期來(lái)壓步距常常是按照懸臂梁式折斷來(lái)確定。

3.3 14－1103綜采工作面頂板來(lái)壓步距推算

老頂在初次垮落時(shí)，老頂巖梁兩端都固支在煤壁中，相當(dāng)于固支梁，根據(jù)材料力學(xué)，采用兩端固支固定梁，考慮彎矩產(chǎn)生的正應(yīng)力使得老頂拉伸破壞，對(duì)采場(chǎng)初次來(lái)壓步距的計(jì)算結(jié)果為

而老頂周期來(lái)壓時(shí)，老頂巖梁一端固支，另一端大多懸空，采用一端固支懸臂梁，考慮彎矩產(chǎn)生的正應(yīng)力使得老頂拉伸破壞，對(duì)采場(chǎng)周期來(lái)壓步距的計(jì)算結(jié)果為因此：

14－1103工作面頂板巖層巖性多為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖或泥巖，其頂板巖層情況見(jiàn)圖1。根據(jù)14－1103綜采工作面頂板巖性，其老頂厚度h＝5.15m。由關(guān)鍵層理論可知：老頂載荷約等于其自身載重與其控制范圍內(nèi)的巖層載重之和，根據(jù)工作面頂板情況可知老頂上方厚度為4.71m的泥巖在其控制范圍內(nèi)，取巖層平均體積力為：γ＝0.025MPa，則老頂載荷為q＝0.025×（5.15＋4.17）＝0.24MPa；RT＝4MPa，代入式（1－6）可估算14－1103工作面初次來(lái)壓步距為29.73m，由式（1－7）可推算14－1103綜采工作面周期來(lái)壓步距12.80m。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

4.1 初次來(lái)壓觀測(cè)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察，從2月5號(hào)的夜班開始，工作面從40＃架至70＃煤壁開始出現(xiàn)嚴(yán)重片幫，片幫高度1～1.5m左右，6＃夜班40＃架至機(jī)尾段工作面煤壁出現(xiàn)嚴(yán)重片幫、滾幫，滾幫煤高度1.5m以上。通過(guò)對(duì)支架壓力表數(shù)字的觀察，支架壓力讀數(shù)增大，超過(guò)前期觀測(cè)數(shù)據(jù)，工作面平均壓力在25MPa以上，采空區(qū)聽(tīng)到頂板垮塌的聲音。

從2月7日夜班開始，工作面中部架段立柱安全閥出現(xiàn)開啟，支架壓力平均在30MPa以上。到早上交接班時(shí)，工作面從50＃支架到機(jī)尾段支架立柱安全閥多出現(xiàn)開啟、卸液，且多呈現(xiàn)噴霧狀，支架的平均壓力在32MPa左右，支架最大壓力達(dá)到35MPa；同時(shí)工作面出現(xiàn)不同程度的煤壁片幫，其中70＃號(hào)支架左右煤壁片幫嚴(yán)重；在90＃～100＃支架段，支架前梁頂板出現(xiàn)脫層，工作面煤壁片幫段響聲大，采空區(qū)無(wú)大量涌水。

7日夜班開始生產(chǎn)過(guò)程中工作面支架壓力明顯比接班時(shí)降低，且煤壁的片幫程度開始降低。通過(guò)觀察，采空區(qū)頂板除機(jī)尾和機(jī)頭幾個(gè)架未垮落外，其他均已垮落嚴(yán)實(shí)。截止7日早班接班，工作面機(jī)頭推進(jìn)24.8m，機(jī)尾推進(jìn)至30.9m，平均推進(jìn)27.9m，共計(jì)回采35刀。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察，結(jié)合工作面礦壓顯現(xiàn)情況，確定工作面老頂于2月7日夜班初次來(lái)壓，老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距約為28m，初次來(lái)壓持續(xù)時(shí)間3天，平均壓力為32MPa，最大壓力為35MPa。

4.2 技術(shù)措施

根據(jù)計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，在工作面周期來(lái)壓時(shí)，提前做好準(zhǔn)備：

（1）提前合理增加支架工數(shù)量，支架工要緊跟采煤機(jī)前滾筒拉架，采取隔一架拉一架。

（2）采煤機(jī)司機(jī)要嚴(yán)格控制好采煤機(jī)的割煤速度，根據(jù)工作面頂板及煤壁情況，及時(shí)的調(diào)整采煤機(jī)的割煤速度；必須控制好工作面頂?shù)装澹仨敻蠲海瑖?yán)禁留頂煤。

（3）充分發(fā)揮護(hù)幫板的作用，提前收回護(hù)幫板及滯后采煤機(jī)打出護(hù)幫板的次數(shù)，護(hù)幫板必須緊貼煤壁，采煤機(jī)滾筒割過(guò)煤后，要追機(jī)作業(yè)打出護(hù)幫板。

（4）采煤機(jī)割煤作業(yè)時(shí)只準(zhǔn)超前前滾筒3架將護(hù)幫板收回，煤壁片幫嚴(yán)重處只準(zhǔn)超前一架收回護(hù)幫板。

（5）采煤機(jī)割通煤壁返機(jī)推溜之后，及時(shí)移架控頂。在頂板破碎段必須帶壓擦頂移架。

（6）加強(qiáng)工作面工程質(zhì)量管理，確保工作面煤壁、支架和刮板輸送機(jī)都保持直線，防止壓力局部集中造成片幫、冒頂。

（7）對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行檢修和維護(hù)，工作面液壓支架要保證達(dá)到規(guī)定的初撐力，支架不漏液、不竄液、不卸液自降，支架升起后要升平、升緊。保證老頂來(lái)壓期間，不出現(xiàn)故障，實(shí)現(xiàn)快速推進(jìn)。

（8）加強(qiáng)工作面上、下端頭管理，嚴(yán)格按照作業(yè)規(guī)程的規(guī)定進(jìn)行上下端頭的維護(hù)。

（9）上下順槽超前支護(hù)，在周期來(lái)壓前期密切關(guān)注支護(hù)情況，超前維護(hù)要有專人負(fù)責(zé)，作業(yè)時(shí)，二人配合作業(yè)，其中必須有一名經(jīng)驗(yàn)的老工人負(fù)責(zé)安全工作。作業(yè)前，必須進(jìn)行敲幫問(wèn)頂，確認(rèn)無(wú)問(wèn)題后方可作業(yè)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立老頂力學(xué)模型，對(duì)14－1103綜采工作面老頂初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距進(jìn)行了分析和計(jì)算，主要得出了如下結(jié)論。

1）通過(guò)力學(xué)分析，認(rèn)為老頂初次垮落和老頂周期性垮落的主要區(qū)別在于：老頂初次垮落時(shí)，老頂巖梁兩端均固支在煤壁中，老頂?shù)某醮慰迓鋺?yīng)采用兩端固支梁進(jìn)行分析；老頂周期來(lái)壓時(shí)，老頂巖梁一端固支在煤壁中，而另一端一般處于懸空狀態(tài)，故應(yīng)采用一端固支另一端簡(jiǎn)支梁進(jìn)行分析。

2）通過(guò)力學(xué)求解，利用老頂初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距計(jì)算公式，對(duì)正利煤業(yè)14－1103綜采工作面老頂初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：14－1103綜采工作面老頂初次來(lái)壓步距約為29.73m，老頂周期來(lái)壓步距約為12.13m。

3）對(duì)14－1103綜采工作面礦壓現(xiàn)象進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，得出老頂初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距，對(duì)頂板管理有指導(dǎo)意義。

〔1〕王作棠，錢鳴高 .老頂初次來(lái)壓步距的計(jì)算預(yù)測(cè)法〔J〕.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1989，18（2）：9－17.

〔2〕戴興國(guó)，錢鳴高 .極限分析與老頂初次來(lái)壓步距計(jì)算〔J〕.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，22（1）：17－23.

〔3〕錢鳴高，朱德仁，王作棠 .老頂巖層斷裂形式及對(duì)工作面來(lái)壓的影響〔J〕.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1986，15（2）：9－17.

〔4〕錢鳴高，石平五 .礦山壓力與巖層控制〔M〕.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社.

〔5〕李保仁 .榆陽(yáng)煤礦2301綜采面初采期間頂板管理 .中國(guó)會(huì)議，2011，11.15.