復雜圍巖支護體系剛度及設備適應性分析

李懷淵

(山西汾西礦業集團水峪煤業，山西 孝義 032300)

0 引言

采場支架與其支撐的圍巖是一對相互作用著的矛盾統一體。兩者間的關系體現了圍巖的運動規律與支架的性能、結構間的適應性及相互間的影響規律[1-2]。它是分析確定支架應具有的最合理結構及參數的依據。在由老頂、直接頂、支架及底板組成的采場支架圍巖體系中，“支架-圍巖”關系為支架和老頂，直接頂及底板間的關系[3]。對于頂板破碎、底板松軟的煤層圍巖，“支架-圍巖”關系的重點主要體現在支架和老頂、直接頂及底板間的剛度關系中，尤其是在老頂-直接頂-支架這一支架圍巖系統中，支架和老頂間的相互作用是通過直接頂介質發生的，在直接頂為具有一定剛度的可變形介質條件下，支架能否對老頂的位態起到限制作用，隨著老頂回轉變形程度的增大，支架是否一直受到老頂回轉變形的影響，則取決于直接頂介質的整體力學特性和變形破壞狀況[4-5]。

1 工程概況

礦井10-2煤層厚0.90～2.50 m，平均1.96 m，屬中厚煤層，結構復雜，局部煤層含1～2層夾石。其成分為粘土巖，f=3，夾石分布無規律，夾石一般厚0.03～0.68 m，局部達到1.14～1.30 m。10-2煤層下距11煤層8.86 m。煤層直接頂為薄層煤(即10-1煤層，厚0～0.83 m)和粉砂巖構成的復合頂，厚2.48 m，層理、節理發育，易破碎，強度低(f=3)。底板為灰白色粘土巖，厚0.98～9.07 m，平均2.85 m，塑性大，遇水易軟化膨脹，強度低(f=3)。

上覆9806工作面已回采完畢。工作面標高-162.5～-198.0 m，地表標高+113.2～+116.8 m，工作面采深300 m左右。本工作面設計開采煤層為10-2煤層，該工作面范圍內，10-2煤層結構簡單，賦存穩定，全部可采，煤層厚度在1.84～2.30 m之間，平均厚2.00 m。

工作面采用整體頂梁式液壓支架回采。雙滾筒采煤機自開缺口，采用端頭斜切進刀方式，雙向割煤，往返一次進兩刀。采煤機割煤，螺旋滾筒配合刮板輸送機裝煤，刮板輸送機運煤，ZH1600/16/24Z整體頂梁式液壓支架支護頂板。

2 “支架-圍巖”體系剛度

2.1 支架的剛度

液壓支架的剛度特征主要體現在立柱的剛度，表現為液壓系統的壓縮液性和缸體壁變形的特征，直接與立柱的密度有關系，并與液壓柱的密封性有關，密封性越好，其剛度越大。因此，提高立柱剛度的主要途徑為增加液壓柱的密封性，并增大柱缸徑。支架的剛度可用下式表示

(1)

根據對10806工作面的礦壓觀測，支柱的平均工作阻力為31.7 MPa，平均下縮量為26.5 mm，則

2.2 底板的剛度

底板的剛度對“支架-圍巖”系統有著直接影響，當底板剛度較小時，在支架支柱受力壓縮時，底板同時出現下縮，這就等同于減小了支架支柱下縮量，從而減小了支架-圍巖支護體系的剛度，使支護效果變差，頂板下沉，導致支護失穩。底板的剛度Kf可通過對反映底板抗壓入特性的底板比壓的分析獲得。不同硬度的底板具有不同的剛度，因而對支架圍巖體系的影響也不同。

底板剛度的計算公式如下

(2)

式中：q—底板比壓，MPa；ΔH—底板壓入量，mm。

該礦底板較軟，尤其是被水浸泡后，底板比壓值更低，表1是10-2煤層底板比壓的實測值。

表1 10-2煤層底板比壓及剛度測試值表

根據表1的底板比壓實測值可知，10-2煤層的底板完整無水時，底板比壓平均為3.31 MPa，平均剛度為0.099 MPa/mm，屬于松軟底板類型。但當底板遇水浸泡后，底板比壓值平均僅有0.89 MPa，平均剛度值只有0.026 7 MPa/mm，屬于極松軟底板。試驗面選用的ZHZ1600/16/24型懸移支架底板比壓值為2.5 MPa，可見在底板完整無水的情況下，10-2煤層的底板是完全滿足ZHZ1600/16/24型懸移支架對底板要求的，但遇水浸泡后底板狀況惡化，底板剛度降低，應加強管理并采取必要的措施提高底板的剛度。目前提高底板剛度的主要辦法就是增加支柱底座的面積，根據現場實測，需要的底座面積可根據下式計算

(3)

P—支柱設計最大工作阻力為400 kN(42.1 MPa)；Kc—容許比壓對應的剛度(容許剛度)，MPa/mm；上10為系數，下10為允許支柱壓入量為10 mm。

底板完整無水時，需要的底座面積為

所需對底支撐面積

S=425×4=1 700 cm2=0.17 m2

底板遇水浸泡后，需要的底座面積為

所需對底支撐面積

S=1 577×4=6 308 cm2=0.630 8 m2

也就是說支架底座面積≥0.630 8 m2。根據支架的結構，前、后排柱可各配800 mm×400 mm的底盤，對底板支撐面積達到0.64 m2，在允許鉆底10 mm的情況下基本能滿足要求。

2.3 10-2煤層直接頂剛度分析

對于礦井破碎頂板及軟弱底板條件下，在推進過程中呈現的不同情況。

當h≥6.0 m時，直接頂呈似零剛度狀態，支架支護強度P=γh≥144 kN/m2，即0.144 MPa。

當h≥0.57 m時，直接頂呈似剛性狀態。頂板下沉量Δl=Lk×sinθ=0.55 m。

當0.57 m

10-2煤層整體頂梁懸移工作面，采高2 m，頂板巖層分別為粉砂巖0.97 m，10-1煤層0.48 m，粉砂巖0.75 m，厚度為1.4 m的9煤層的采空區冒落巖石約10 m，總的直接頂厚度12 m以上。

根據上面的計算，當h≥6.0 m時，直接頂呈似零剛度狀態，需要提供的支護強度≥0.14 MPa。這從理論上也論證了該礦復合頂板為軟弱、破碎的頂板，頂板剛度近似零狀態，說明了其支護的困難程度。如果采用高檔普采方式，采用整體頂梁液壓支架后，頂梁采用了整體箱式結構，2.8 m2/架，護頂面積可達到95%以上(與綜采支架相同)。由于頂板的抗壓入性較差，整體式的懸移頂梁增加的支架與頂板的接觸面積，使得頂板剛度很差的矛盾得到緩解，支護效果明顯提高。

ZHZ1600/16/24型支架提供的支護強度為0.5 MPa，大大高于0.144 MPa，所以選型設備的支護強度是足夠的。

3 支架適應性分析

3.1 工作面支架參數

支架型號：采用ZH1600/16/24型懸移式液壓支架；

高度：1.6～2.4 m；

長度：3.2 m；

寬度：0.96 m，支架中心距1.0 m；

初撐力：760 kN，工作阻力1 600 kN(41.2 MPa)

支護強度：0.5 MPa，泵站壓力20 MPa；

最大件重量：800 kg；

支架重量：1 400～1 800.3 kg；

柱徑：200/130 mm，行程0.8 m；

立柱數量：4個。

3.2 支架工作狀態分析

支架初撐力分析：從統計結果看(圖1)，支架初撐力一般在400～800 kN之間，約占總數的98.2%，最大值832 kN，最小值157 kN，平均值為714 kN，平均值占額定值的93.9%。初撐力達到700 kN以上的占96.5%(額定初撐力為760 kN)，從圖2可以看出，各測區支架初撐力大多符合要求。這說明支撐系統剛度正常，懸移支架在大面積底座及整體箱式頂梁作用下，頂底板的剛度提高，保證了支撐系統的剛度，從而保障了初撐力的穩定，使支架達到額定工作阻力的時間縮減，有效降低了頂板下沉量，使工作面煤壁片幫和端面破碎程度大為減輕。

圖1 支架初撐力頻率分布圖

圖2 支架末阻力頻率分布圖

支架工作阻力分析：各支架的工作阻力平均值為1 058 kN，來壓期間工作阻力的平均值為1 261 kN，大多分布在800～1 200 kN之間，占總數的59.3%，另外，在600～800 kN 之間的占總數的11.8%，1 200～1 400 kN的點有總數的9.5%，小于600 kN的占15.7%，大于1 400 kN的占3.7%。

根據統計結果，初撐力平均值為714 kN，工作阻力平均值為1 058 kN，支柱工作期間平均增阻344 kN，增阻效果明顯，說明該懸移支架能較好地適應10-2煤層這種復雜的頂底板圍巖條件，能保證圍巖-支架體系的總體剛度，并提供較好的支護環境和支護效果。在頂板來壓期間，多數支架接近額定工作阻力，只有個別安全閥開啟。

4 結論

(1)底板的剛度通過對反映底板抗壓入特性的底板比壓的分析獲得，10 806 工作面底板完整無水時，底板比壓平均為3.31 MPa，平均剛度為0.099 MPa/mm，屬于松軟底板類型。但當底板遇水浸泡后，底板比壓值平均僅有0.89 MPa，平均剛度值只有0.026 7 MPa/mm，屬于極松軟底板。

(2)10-2煤層直接頂為似零剛度狀態的直接頂，說明了其支護的困難程度，采用整體式的頂梁增加了支架與頂板的接觸面積，使得頂板剛度很差的矛盾得到緩解，支護效果明顯提高。

(3)采用整體頂梁液壓支架后，頂梁采用了整體箱式結構，2.8 m2/架，護頂面積可達到95%以上(與綜采支架相同)。所以，可以認為頂板的剛度是似剛性的支架，增加底座面積后，底板剛度大幅度提高，可以認為達到了似剛性，所以支架圍巖系統的剛度達到了似剛性狀態。