淺談綜采放頂煤支架受力與頂板結(jié)構(gòu)的關(guān)系

黃傳賢，劉亞，孫建峰

兗州煤業(yè)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(jié)構(gòu)的關(guān)系

黃傳賢，劉亞，孫建峰

兗州煤業(yè)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(jié)構(gòu)的關(guān)系，闡述了綜放采場支架載荷的力學(xué)機(jī)理，針對綜采方支架架型設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，對設(shè)計(jì)方案提出了自己的觀點(diǎn)，以供參考。以期通過本文的分析能實(shí)現(xiàn)對綜放支架的設(shè)計(jì)和選型具有實(shí)際指導(dǎo)意義的效果。

頂板結(jié)構(gòu)；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(jīng)濟(jì)社會發(fā)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(chǎn)煤大國，同時(shí)也是煤炭消費(fèi)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(yè)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(shù)的大前提下，解決厚煤層高效和安全等問題，將是這一技術(shù)高速發(fā)展的突破口，進(jìn)行逐步完善，讓其成為適應(yīng)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(shù)已成為我國重點(diǎn)攻關(guān)的課題，綜放支架架型設(shè)計(jì)也屬于攻關(guān)的重要內(nèi)容。在綜放支架設(shè)計(jì)上目前存在兩種主流觀點(diǎn)：一是頂板壓力必須進(jìn)行增大，認(rèn)為放頂煤采出厚度偏大；二是認(rèn)為由于放頂煤采場冒落矸石的厚度大，整個(gè)頂板的壓力被緩沖掉了，壓力隨之變小了。在這個(gè)壓力變大還是變小的問題上，已經(jīng)成為綜放支架設(shè)計(jì)和選型的重要問題，我們需要進(jìn)行大量的現(xiàn)場調(diào)研和觀測，從頂板運(yùn)動(dòng)的角度出來，來深度剖析這一問題。

1.頂板結(jié)構(gòu)與壓力的關(guān)系

放頂煤開采是一個(gè)高效、低成本、安全的煤層開采方法，在經(jīng)過多年的實(shí)際開采和理論研究，已積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。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(xiàn)規(guī)律，為放頂煤開采技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)，推動(dòng)放頂煤開采技術(shù)的健康穩(wěn)定發(fā)展。雖然這些經(jīng)驗(yàn)的積累，能較為全面的概括在不同頂板條件下的壓力規(guī)律，但這些經(jīng)驗(yàn)對于綜放支架設(shè)計(jì)上，還不能成為完善可靠的理論和技術(shù)體系。本文通過在多年研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對支架設(shè)計(jì)和選型的需要，來對頂板結(jié)構(gòu)與支架架型的關(guān)系進(jìn)行論述。

1.1 頂板結(jié)構(gòu)模型

目前大多數(shù)經(jīng)驗(yàn)研究都認(rèn)定，直接頂?shù)暮穸扔捎谑艿搅朔懦雎实目刂?直接頂?shù)纳戏綍霈F(xiàn)一個(gè)傳遞力的結(jié)構(gòu)，如圖1所示：當(dāng)煤層覆蓋的直接頂較薄、直接頂上方后巖層的情況，結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)變異，直接頂內(nèi)沒有其他小結(jié)構(gòu)的存在，所有作用力全部由支架承擔(dān)，在采空區(qū)域填充不滿的情況下，如果堅(jiān)硬的老頂出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，將會引起很大的沖擊。

（圖1）巖層參數(shù)與狀態(tài)

根據(jù)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——?dú)埫汉穸龋籗A——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(guān)系為η=1-G/ TKm，Km是頂煤垮落后的碎脹系數(shù)，K為矸石碎脹系數(shù)。K=1.2～1.4。舉例某礦頂面碎脹系數(shù)為12.SA=0.h,KA=1.3,H=2m,那么直接頂?shù)暮穸染涂梢员硎緸椋篗z=5.3+3.33T(η-0.2)。

1.2 一般結(jié)構(gòu)下的支架與圍巖的關(guān)系

這種結(jié)構(gòu)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(nèi)存處于小結(jié)構(gòu)狀態(tài)時(shí)，L=eγz，在不存在小結(jié)構(gòu)時(shí)，L=Mzγz。其中，e為未成供直接頂厚度的小結(jié)構(gòu)，Mz為直接頂?shù)娜亢穸龋脄為直接頂容重。如果出現(xiàn)采場直接頂厚度很大，那么在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，就要考慮到可擇較小的Pc，甚至可使Pc 0。因?yàn)樯喜恐苯禹斝纬傻男〗Y(jié)構(gòu)會承擔(dān)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(guān)，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(jié)構(gòu)下的采空區(qū)是屬于充填較實(shí)的狀態(tài)下的，采場內(nèi)不會有太大的沖擊載荷，支架受載都是靜壓為主，動(dòng)載系數(shù)值則在1.0～1.6區(qū)間。

2.支架受力與頂板結(jié)構(gòu)關(guān)系

通過一系列的數(shù)據(jù)分析，我們可以得出結(jié)論，綜放面頂板壓力不僅僅是與頂板的結(jié)構(gòu)有關(guān)聯(lián)，還與采空區(qū)的充填狀態(tài)有關(guān)，在面對一般情況下支架設(shè)計(jì)和選擇時(shí)，可用（公式X）為基礎(chǔ)要素，根據(jù)實(shí)際情況來進(jìn)行硬度的調(diào)整，達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。在這種結(jié)構(gòu)下水平推力不會成為主要矛盾的產(chǎn)生，更不會出現(xiàn)大的沖擊載荷。

3.分析結(jié)論

在經(jīng)過現(xiàn)場的一系列實(shí)測與分析，我們認(rèn)為需要建立正確的頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，來為支架設(shè)計(jì)、選型來奠定基礎(chǔ)，針對頂板結(jié)構(gòu)以及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不同情況，不同分析，進(jìn)行合理的支架設(shè)計(jì)，摸清采放頂煤支架受力與頂板結(jié)構(gòu)的關(guān)系，是對開采現(xiàn)場綜合水平的提高。對可能形成頂板結(jié)構(gòu)形式的影響因素進(jìn)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(tài)有關(guān)，以及支架的受力程度是否受到頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)的影響，放眼各個(gè)采場對于控制頂板狀態(tài)的要求不同，具體問題進(jìn)行具體分析。在我國開采條件的多樣性情況下，不應(yīng)該只局限與一種或少數(shù)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(jù)新的實(shí)際技術(shù)需要，對設(shè)計(jì)進(jìn)行改造，為其打造一個(gè)與之相適應(yīng)的、且高效安全的具有綜合優(yōu)勢的模式。

結(jié)束語：

本分淺析了在綜采放頂煤過程中，支架與頂板結(jié)構(gòu)的關(guān)系，通過從各角度的分析，來對文中觀點(diǎn)進(jìn)行論述，本文部分參數(shù)的選取是特定值，根據(jù)實(shí)際情況的不同，可以以本參數(shù)為基準(zhǔn)，進(jìn)行更符合實(shí)際的調(diào)整，擴(kuò)大綜采放頂煤開采技術(shù)在不同條件下的應(yīng)用范圍，為該技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮積極推動(dòng)作用。

[1]劉靜波.綜采工作面放頂煤技術(shù)回采工藝淺析[J].城市建設(shè)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(jié)構(gòu)的關(guān)系探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,18