基于覆巖破壞層次化效應的綜放工作面支架工作阻力確定研究

基于覆巖破壞層次化效應的綜放工作面支架工作阻力確定研究

張學亮

(天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京100013)

[摘要]分析了微震監測結果與工作面礦壓顯現之間的相互關系，認為覆巖的破斷存在層次化分布，提出了“近-遠場層次化效應模型”，分析認為近場巖層對確定綜放支架工作阻力至關重要，給出了基于覆巖破壞層次化效應的綜放工作面支架工作阻力確定的相關公式及參數確定方法。

[關鍵詞]層次化效應；工作阻力；綜放工作面

[中圖分類號]TD355.4[文獻標識碼]A

[收稿日期]2014-07-31

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.026

[基金項目]“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAB13B02-02)；天地科技股份有限公司

[作者簡介]張學亮(1984-)，男，山東臨朐人，碩士，助理研究員，主要從事礦山壓力與巖層控制及采煤方法等方面研究。

Working Resistance of Full-mechanized Top-coal Caving Face

Based on Layering Effect of Overlying Rock

ZHANG Xue-liang

(Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Abstract:By analyzing the relationship between micro-seismic monitoring result and underground pressure behavior of mining face, It was found that breakage of overlying rock had layering distribution characteristic."near-far field layering effect model"was set up and it was believed that near filed rock strata was important for confirming working resistance of top-coal caving powered support.Corresponding formula of calculating working resistance of top-coal caving powered support which was based on layering effect of overlying rock was put forward.

Keywords:layering effect; working resistance; full-mechanized top-coal caving face

[引用格式]張學亮.基于覆巖破壞層次化效應的綜放工作面支架工作阻力確定研究[J].煤礦開采，2015，20(1)：89-91，98.

綜放工作面液壓支架工作阻力的確定是綜放開采設備選型配套及安全開采的核心問題，針對該問題，我國學者展開了一系列的研究。文獻認為傳統的采高倍數方法確定支架載荷已不適用，提出了確定綜放支架工作阻力的基本原則。文獻在總結30多個綜放面實測支架最大載荷與煤層硬度系數、采深以及頂煤厚度的關系，得到回歸公式：Pmax=1939+21H+471f+155/Md，并在此基礎上取1.2～1.35的安全系數確定支架額定支護阻力。文獻采用了反分析數值模擬法，以回采礦壓顯現特征來確定數值計算模型，通過數值模擬來確定支架工作阻力。文獻則提出了建立在支架與圍巖相互作用關系基礎之上的數值分析方法，采用FLAC3D進行計算分析，以液壓支架頂板下沉量、頂煤壓縮量控制作用減少時(拐點)的支護強度為最低支護強度，并考慮動載影響，提出以采空區充填程度確定動載系數：1.0(完全充填)、1.1~1.3(不完全充填，但大于割煤高度)、≥1.4(不完全充填，小于割煤高度)。文獻研究了綜放開采支架工作阻力不唯一性及其原因。文獻研究了一般綜放采場頂板結構與支架工作阻力的相互關系，給出了3種情況下的定量表達式。文獻在分析經驗估算法、現場實測法、垮落帶法、砌體梁結構分析法等方法的基礎上，給出了綜采支架工作阻力確定的研究方向。

目前綜放開采的煤層厚度已達14～20m，液壓支架工作阻力多在10000kN以上，有的甚至達到21000kN，但在開采過程中仍然出現支架被“壓死”等現象，綜放支架工作阻力的確定遇到了新的問題。文獻和文獻研究了塔山煤礦大采高綜放開采，一次開采煤層厚度15m左右的支架與圍巖關系，通過現場實測和微震監測覆巖破壞，給出了合理的支架工作阻力確定方法。

如前所述，經典的采高倍重法已不再適用，對研究人員來說，可以采用更加復雜的公式進行計算或采用數值模擬方法進行分析，但對于現場人員來說，這些方法需要的參數多且參數確定困難或難以掌握，急需一種更實用的方法確定綜放支架工作阻力。本文以平朔井工三礦綜放支架工作阻力確定為實例，在歸納分析的基礎上，試圖給出一種適合現場的簡潔實用的綜放開采支架工作阻力確定方法。

1現場概況

平朔井工三礦位于山西朔州平魯區井坪鎮，該礦9107工作面開采石炭系上統太原組9號煤，煤厚平均12.22m，煤層傾角5～14°，采用綜放開采，機采高度3.5m，采用ZF10000/23/37型支架，工作面長度300m。工作面埋深70～183m，地表為黃土丘陵，溝谷發育，切眼附近埋深70～110m。直接頂為砂質泥巖，平均7.72m，基本頂為粗砂巖，平均14.21m，直接底為細砂巖，平均3.37m，基本底為泥巖，平均4.73m。

表1給出了煤層及其頂板直至較厚的粗粒砂巖層的厚度、密度及抗壓強度參數[10]。

表1　巖層及物理性質

2礦壓顯現及覆巖破壞規律

在9107工作面采用KJ21礦山壓力監測系統對礦壓顯現數據進行記錄，支架立柱壓力每變化1MPa記錄一個數據，共監測20個支架。以支架平均循環末阻力與均方差之和作為頂板來壓的判據，得到工作面基本頂初次來壓步距22.5～44.4m，平均33.6m，周期來壓步距11.2～30.4m，平均20.7m。觀測期間監測到65號，125號，135號，155號支架在175個采煤循環過程中安全閥分別開啟5次、9次、5次、7次，安全閥開啟率為3.7%，監測得到支架最大工作阻力為12821kN[11]。

采用微震監測方法監測覆巖的破壞規律，通過微震監測開采過程中微震事件能量、頻次及發生位置等參數來分析煤巖應力分布和覆巖空間破壞特征[12]。選取2012年7月14日至2012年9月8日所監測到的所有微震事件，將其在走向剖面上進行投影，結果如圖1所示。

圖1　微震事件揭示頂板垂直破裂特征

由圖1可知，在垂直方向上，微震事件的分布規律揭示了低位巖層垮落區和高位巖層斷裂區的分布范圍。在低位巖層垮落區，微震事件分布較為密集，中等能量的事件較多，分布規律不明顯。

在高位巖層中，高能量的微震事件顯著增多，且事件出現具有明顯的周期性，反映了頂板的周期性運動。從微震分布的數據來看，當工作面推進距離超過83m后，在基本頂堅硬巖層上方距煤層約80m范圍的區域，開始出現了較為密集的微震事件，多為小能量的微震事件。該區域與地表層鄰近，由此判斷，工作面裂縫帶高度已發育至地表。

從微震監測結果可見，垮落帶高度為40m左右，裂縫帶高度與地表溝通。

將連續時間段內的微震監測數據與工作面礦壓監測數據進行對比分析，以天為單位，將微震事件總能量和礦壓數據的加權工作阻力繪成圖2所示曲線。

圖2　微震事件能量與支架阻力關系

由圖2可知，微震事件及能量的突然增大一般都超前于來壓劇烈顯現時刻。能量最大的一次事件發生在8月3日，而工作面大部分支架的加權阻力在8月4日達到了最大值，工作面全面來壓，標志著基本頂的初次來壓。之后，隨著微震事件能量峰值的出現也伴隨著周期來壓的顯現。利用微震事件頻次和能量的增加可以間接預測周期來壓的出現。

3近-遠場層次化效應模型

分析覆巖的垮落與工作面的支架壓力之間的關系，認為覆巖的破斷存在層次化分布，而工作面支架的最終受力是由發生層次化破斷的近場巖層——直接頂、遠場巖層——基本頂及其上覆巖層載荷將其重力或其重力的一部分傳遞至工作面支架所致，稱其為礦壓顯現的“近-遠場層次化效應”模型，模型如圖3所示。

圖3　近-遠場層次化效應理論模型

結合微震監測的結果來說，近場是指微震事件密集而能量級別較低的頂板區域，遠場是指微震事件較少，但能量級別較大的頂板區域外側，分界線為能量級別較大的頂板區域，近場及分界線巖層對工作面支架的受力影響最大。

對于淺埋深條件下，遠場還應考慮之上的微震事件密集能量級別較低的區域。這兩部分頂板巖層或由近場巖層單獨起作用或近場巖層與分界線巖層聯合起作用，從而引起工作面礦壓顯現的不同規律效應。

就9107工作面來說，其微震監測得到的上覆巖層的微震時間分布如圖1所示，按照近-遠場理論進行劃分可得到近場覆巖高度與能量級別較大的微震事件巖層高度一致，結合工作面的礦壓顯現實際，分析認為此時工作面的壓力顯現主要考慮該部分及以下巖層的作用。

基于微震監測得到覆巖破壞高度，可以以此估算支架“近場”范圍的巖層如表1中2～11層。考慮8.72m頂煤作用，據此可以估算支架承受的載荷為1.48MPa(包括分界巖層)，考慮控頂距5.15m，支架寬度1.5m，計算此時支架工作阻力為12703kN(支撐效率取0.9)；僅考慮頂煤及近場巖層，計算得到支架承受的載荷為1.07MPa，此時支架工作阻力為9184kN(支撐效率取0.9)，根據礦壓監測結果分析，此計算結果的偏差在10%左右，說明其工程應用是可行的。

就此例來說，由于具有微震監測結果的對比，可以快速地確定近-遠場的劃分，對于沒有監測的礦區該如何準確的確定。文獻[13]分析了庫茨涅佐夫在相似模型試驗基礎上，提出直接頂垮落高度分2層，為垮落高度和不規則垮落高度，給出了我國部分綜放工作面直接頂垮落狀況，如表2所示，表中給出了部分放頂煤工作面采空區直接頂垮落高度的實測值，經過分析得出，垮落帶高度平均為煤厚的2.21倍，變動在1.83～2.67倍之間，不規則垮落高度為煤厚的1.12倍，變動在1.00～1.46之間。即應該考慮的直接頂垮落高度為3.33倍的煤層厚度，此部分可以考慮為近場巖層，并考慮10%富裕系數。

表2　我國部分綜放工作面直接頂垮落狀況統計

經過上述分析，得到基于覆巖破壞層次化效應的綜放工作面支架工作阻力確定的公式：

F=1.1(Mdγ煤+kMγ頂)(lk+ld)B/η

式中，F為支架工作阻力，kN；Md為頂煤厚度，m；γ煤為煤的容重，kN/m3；k為系數，取3.33；M為煤層厚度，m；γ頂為頂板巖層的容重，kN/m3；lk為空頂距(梁端距)，m；ld為頂梁長度，m；B為支架中心距，m；η為支架支撐效率，取0.9。

9107工作面煤厚12.22m，按3.33倍考慮近場巖層為40.6926m，則估算：

F=(8.72×14.5+40.6926×22)×5.15×1.5×1.1/0.9=9646(kN)

與實際應用的10000kN非常吻合。

以塔山礦為例，工作面采高3.5m，放煤高度11.5m，煤厚15m，工作面采用ZF13000/25/38型支架。根據模型確定的原則，估算支架工作阻力：

F=(11.5×1.4+15×3.33×(22~24))×5.5×1.75×1.1/0.9=13117~14292(kN)

工作面采用的支架工作阻力略有不足。現場實際監測結果表明，支架平均工作阻力為9000~12000kN，最大工作阻力在13000kN以上，來壓期間的平均工作阻力為10102~13000kN，來壓情況下，支架安全閥開啟較為頻繁，支架額定工作阻力不能滿足開采期間工作面支護工作的需要。后期，

塔山煤礦更換支架為ZF15000/28/52型。

4結論

(1)提出綜放覆巖破壞存在層次化效應，在覆巖破壞的層次化效應模型的基礎上進行覆巖破壞與綜放支架的相互關系研究，認為可以基于覆巖破壞的層次化效應進行綜放支架工作阻力確定研究。

(2)得到的基于覆巖破壞層次化效應的綜放支架工作阻力確定公式為：F=1.1(Mdγ煤+kMγ頂)(lk+ld)B/η。

(3)通過對平朔井工三礦9107和塔山煤礦綜放工作面支架工作阻力的計算對比，結果表明上述方法確定綜放工作面支架工作阻力可行。

綜上，基于覆巖破壞層次化效應的支架工作阻力確定方法更便于現場人員快速準確地確定支架的合理工作阻力，具有較強的實用性。

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[責任編輯：徐亞軍]