薄煤層綜采工作面頂板控制及支架選型研究

高明濤，郭慶勇

(1.山東科技大學， 山東 青島市 266510；2.新汶礦業集團有限責任公司，山東 泰安市 271200；3.中國礦業大學(北京)， 北京 100083)

0 引 言

趙官井田屬黃河北煤田的一部分，面積約59.2 km2。1705西工作面是該礦首采工作面，主采7層煤。煤層平均厚度0.97 m；直接頂為灰黑色泥巖，厚度為4.5 m；老頂為泥巖、粉砂巖、細砂巖組成的復合頂板，厚度為8.9 m。該工作面采用綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。

在現場礦壓實測的基礎上，針對7層煤賦存條件，建立了薄煤層采場的力學模型，并對首采面進行了頂板控制和支架選型設計，為實現礦井的安全、高效生產奠定了基礎。

1 采場頂板控制設計力學模型

1.1 頂板結構力學模型的建立

根據7層煤的覆巖條件及礦壓實測結果，建立了薄煤層采場頂板控制的力學模型,如圖1所示。圖中，mE1為老頂下位巖梁厚度，m;mE2為老頂上位巖梁厚度，m；mz為直接頂厚度，m；h為煤層厚度；lk為控頂距；S0為巖梁裂斷處距煤壁距離，m；S為采場支承壓力影響范圍，m；CE為老頂巖梁的周期來壓步距，m。

1.2 控制設計準則及力學條件

支架初撐強度應能控制直接頂下沉，支架最小縮量不得小于對老頂給定的變形，即滿足下列力學條件：

PT≥A=mz·γz·fz

(1)

εT>(ΔhA-∑hj)=(lk+S0)·SA·ξ-∑hj

式中，PT—支護強度，MPa；

A—單位面積直接頂重量, MPa；

mz—直接頂厚度，m；

γz—直接頂容重，N/m3；

fz—懸頂系數；

εT—支架最大允許縮量，m；

∑hj—墊層厚度，m；

SA—巖梁實際沉降值，m；

ζ—2/C0或1/C，C0為初次來壓步距，m,C為老頂周期來壓步距，m。

圖1 頂板控制設計力學模型

1.3 頂板斷裂處至煤壁距離的確定

如圖2所示，可推導出巖梁裂斷處至煤壁距離S0的大小為：

圖2 老頂巖梁裂斷裂處至煤壁距離S0的力學模型

(2)

式中 ，SP—支承應力峰值位置，m；

mE—為老頂巖梁厚度，m；

CE—為老頂巖梁周期來壓步距，m；

γE—老頂巖梁容重，N/m3；

k—應力集中系數，一般取2.5～3.0；

H—采深，m；

γ—巖層的平均容重，N/m3。

2 采場頂板控制及支架選型

2.1 采場初次來壓階段頂板控制及支架選型計算

2.1.1 老頂巖梁第一次裂斷深入煤壁前方距離S0

首采面采深在420 m左右，煤層厚度0.97 m，巖梁厚度為8.9 m，工作面推進38 m后，由(2)式可求得:

2.1.2 頂板控制及力學條件的確定

采場頂板控制應使支架阻力不小于直接頂作用力，把頂板下沉量控制在支架縮量允許的范圍內。

為滿足直接頂第一次裂斷時的控制要求，支護強度PT為：

(3)

式中，mz—直接頂厚度，取2.4 m；

γz—直接頂容重，2.5 t/m3，

Cz—直接頂初次來壓步距，16.96 m；

lk—支架控頂距，4.0 m。

將數據帶入(3)式，得：PT=12.72 t/m2。

動態監測部分包括敏感行為監測模塊和流量監控模塊，靜態檢測部分包括惡意軟件鑒別模塊、漏洞檢測模塊和隱私泄露檢測模塊。

為滿足老頂下位巖梁第一次裂斷時的控制要求，支護強度Ptl應為：

(4)

式中，mz1—老頂巖梁厚度，取8.9 m；

C1—老頂巖梁第一次垮落步距，取38.0 m。

將數據帶入(4)式，得：Ptl=58.84 t/m2。

2.1.3 支架阻抗力計算

液壓支架的工作阻力為：

RT=gPTST

(5)

直接頂初次來壓：

RT=9.8×12.72×6=747.9 (kN)。

老頂初次來壓(給定變形)：

RT=9.8×58.84×6=3459.8(kN)。

液壓支架最小初撐力為：

R0=gAST

=9.8×2.4×5=294.0(kN)。

2.1.4 支架縮量計算

老頂初次裂斷來壓工作面處于停滯狀態時，要求支架(立柱)最大下沉縮量εmax，∑hj的厚度可以忽略，可由(1)式求得：

ΔhA=ξ·(lk+S0)>SA

由于SA=0.36m，ξ=2/38=0.053，故:

ΔhA=0.053×(4+3.24)>×0.36=0.138(m)

2.2 采場周期來壓階段頂板控制及支架選型計算

2.2.1 老頂巖梁裂斷周期來壓“內應力場”范圍的確定

首采面推進55 m后，支承壓力高峰位置SP=21.6 m，根據公式(2)可求得巖梁裂斷深入煤壁前方距離S0為：

2.2.2 老頂巖梁周期裂斷時的力學保證條件

液壓支架的支護強度和阻抗力必須滿足下式要求：

(6)

其中，A=mzrz=2.4×2.5=6 t/m2;

2.2.3 支架阻抗力計算

支架工作阻力為：

RT=gPTST=9.8×44.94×6=2642.4(kN)。

支架最小初撐力：

R0=gAST=9.8×6×6=352.8(kN)。

2.2.4 支架縮量計算

老頂來壓工作面處于停滯狀態時，要求最大支架(立柱)下沉縮量εmax為：

2.3 支架選型結果

通過理論分析與計算可知，老頂巖梁第一次裂斷深入煤壁前方距離S0為3.24 m,直接頂初次來壓時RT為747.9 kN，老頂初次來壓(給定變形)RT為3459.8 kN，支架最小初承力R0為294.0 kN，老頂第一次裂斷來壓工作面處于停滯狀態時要求最大支架(立柱)下沉縮量εmax為0.138 mm；老頂周期來壓時，老頂巖梁裂斷深入煤壁前方距離S0為2.07 m,老頂周期來壓(給定變形)時RT為2642.4 kN，支架最小初承力R0為352.8 kN，老頂周期裂斷來壓工作面處于停滯狀態時要求最大支架下沉縮量εmax為0.155 m。因此，可選擇ZY3200/7.5/16型雙柱支撐掩護式液壓支架。

3 液壓支架適應性分析

通過對現場觀測數據的分析，得出支架初撐力及工作阻力頻率分布直方圖如圖3、圖4所示。

圖3 支架初撐力頻率分布

由圖3可以看出，支架初撐力在20～25 MPa之間的占50.9%，初撐力在25～30 MPa的占28.9%，初撐力大于30 MPa的占3.9%，這說明工作面支架整體初撐力較高，對工作面頂板起到了有效支護，工作面沒有出現端面頂煤破碎漏頂現象，也未出現支架明顯下滑和倒架現象。但是還有一部分支架初撐力太低，所以應加強初撐注液質量管理。

由圖4可以看出，支架工作阻力在0～10 MPa的占0.5%，在10～20 MPa的占3.8%，在20～25 MPa的占12.2%，在25～38 MPa的占80.5%，大于38 MPa的占3%。由支架參數特征可知，支架額定工作阻力為38.5 MPa。由以上數據分析可以看出，支架工作阻力發揮比較好，且有一定的富裕系數。

圖4 支架工作阻力頻率分布

4 結束語

在1705西工作面的工業性試驗表明：ZY3200/7.5/16型液壓支架對工作面端面頂板控制達到了滿意的效果，1705西工作面端頭處壓力較小，支架對端頭控制效果較好；工作面推進過程中沒有發生明顯的支架受力變形甚至破壞的現象；支架與工作面主要機械設備(輸送機、采煤機)的尺寸配套合理，滿足正常使用。所選用的ZY3200/7.5/16型液壓支架的結構和參數，較好地滿足了趙官煤礦1705西工作面的生產地質條件。

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