基于煤礦薄基巖下支架工作阻力確定及規律分析

張 宏

（陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

在我國西北地區，尤其是內蒙、新疆地區的煤礦，其煤層平均深度淺，煤炭儲量巨大，開采方式簡單，其中大部分現有煤礦由于其松軟破碎的覆巖結構，使其極容易露天開采，但其中也存在一些埋藏深度較深的礦區，由于其表層的薄基巖結構，給井下工作面回采造成了一定的困難，這些松軟的薄基巖結構極容易受工作面采動的影響造成大面積的垮落，發生工作面壓架、潰沙事故，并直接影響地表巖層，造成大面積塌陷坑等[1]。

1 布爾臺煤礦22625工作面覆巖賦存狀況

通過現場實際調研發現22625工作面機械運輸平巷頂板上覆基巖厚度變化明顯，從切眼到1 725m長的巷道中，頂板基巖厚度由最初的45m線性變化為9m；在接下來的1 725～1 852m長度范圍內，其頂板上覆基巖厚度由9m銳減到了3m，并且變化沒有明顯規律；然而在1 852m～1 983m的巷道中發現，其頂板上覆基巖厚度由3m又逐漸增加到了11m，其最大基巖厚度約為13.6m；最后1 983～2 300m的一段巷道，其上覆基巖厚度保持在5m以上的長達101.5m，基巖厚度變化相對于上述幾段較為平緩。

布爾臺煤礦22625工作面的機械運輸平巷自工作面切眼到停采線的這段區域，頂板薄基巖的厚度變化較大，其中在1 651 m處基巖最厚達到最大（45m），在1 852m處基巖厚度達到最薄（3m），在整段區域內基巖平均厚度達23.67 m；同時，22625工作面的軌道運輸平巷的基巖變化也同樣明顯，自工作面開切眼處到工作面的停采線處，基巖厚度變化在49～13m的范圍內，其區域內基巖平均厚度達28.53m[2]。

2 工作面支架工作阻力的合理設定

2.1 薄基巖-支架-覆巖物理力學模型的建立

在巷道頂板覆巖厚度大，基巖薄的條件下進行開采活動，采煤工作面薄基巖-支架-覆巖物理力學模型的建立應當充分依據現場頂板基巖厚度變化來設定，并兼顧其開采條件，合理地設定模型中工作面支架的工作阻力。其中，針對采場基巖的構造特性，可將物理力學模型分為四類進行，1類采場基巖-支架-覆巖物理力學模型；2類采場基巖-支架-覆巖物理力學模型；3類采場基巖-支架-覆巖物理力學模型；4類采場基巖-支架-覆巖物理力學模型。

1）1類采場基巖-支架-覆巖物理力學模型主要研究頂板上覆基巖厚度大于18.76m的情況，由于這部分基巖在裂隙發育過程中容易形成巖梁平衡結構，能夠以周期來壓的形式作用在工作面支架上面形成采場支架的動載荷，由圖1所示。

圖1 1類采場基巖-支架-覆巖物理力學模型

針對該種情況為了預防基本頂剪切冒落及采場的臺階下沉，所需要設定的工作面支架工作阻力為：

式中：P2為老頂失衡所施加在支架上的不平衡荷載，包括老頂和其上覆巖層的荷載；Q1為直接頂作用在支架上面的荷載。

2）2類采場基巖-支架-覆巖物理力學模型主要研究上覆基巖厚度 h在 5.46～6.63 m＜h＜15.35～16.68m的情況，由于此類基巖厚度較1類的基巖薄，所以并不能在支架上方垮落成結構，這時候工作面支架上要承受的荷載主要來自于采場上覆基巖巖層的重量及松散土層形成的復雜重力，基于此類情況建立了2類采場基巖-支架-覆巖物理力學模型來具體研究，如圖2所示[3]。

工作面支架所承受的工作阻力為：

式中：W為選取支架的實際工作寬度，m；φ為采場垮落來壓動載荷系數；Ha為采場的實際控頂距，m；hr為采場上覆基巖巖層的實際厚度，m；hs為采場上覆松軟土層的垮落厚度，m；ρr為采場上覆基巖巖層的平均密度，t/m3；ρs為采場上覆松軟土層的平均密度，t/m3。

圖2 2類采場基巖-支架-覆巖物理力學模型

3）3類采場基巖-支架-覆巖物理力學模型主要研究上覆基巖厚度h在2.85～3.26m＜h＜5.78～6.67m的情況，由于這部分區域頂板垮落后不能及時填充采空區，但為了確定工作面支架的荷載，物理力學模型按照采空區完全填充來建立，如圖3所示。

工作面支架所承受的工作阻力計算公式同式（1），只是由于巖石的碎脹性原因可能導致巖層垮落厚度有所不同。

4）4類采場基巖-支架-覆巖物理力學模型主要研究上覆基巖厚度在3.15m以下的情況，由于該區域的基巖巖層厚度過小，無法在頂板巖層垮落后形成一定的平衡結構，但為了實驗室的模擬需要，將這部分區域假設為基巖巖層垮落的自重荷載，以保證模擬的有效性，如圖4所示。

工作面支架所承受的工作阻力為：

其式中參數的意義和2類采場基巖-支架-覆巖物理力學模型中的相同。

2.2 采場支架工作阻力的確定

根據布爾臺煤礦現場基巖的實際測定，依據數據合理確定采場基巖-支架-覆巖物理力學模型，通過現場調研確定工作面支架工作阻力計算工作中的各項參數，進而科學指導工作面支架工作阻力的設定，保證采場的安全。

圖3 3類采場基巖-支架-覆巖物理力學模型

圖4 4類采場基巖-支架-覆巖物理力學模型

結合現場調研數據，經實驗室核算發現：1類采場基巖-支架-覆巖物理力學模型中計算出的工作面支架工作阻力為7 869.53 kN；2類采場基巖-支架-覆巖物理力學模型中計算出的工作面支架工作阻力為7 984.06 kN；3類采場基巖-支架-覆巖物理力學模型中計算出的工作面支架工作阻力為8 735.61 kN；4類采場基巖-支架-覆巖物理力學模型中計算出的工作面支架工作阻力為4 596.25 kN。通過上述計算數據，考慮到要留取一定的安全含量，選取工作面支架工作阻力為9 500 kN，以保證采場支架滿足實際需求[4]。

3 采場支架工作阻力實測

根據實驗數據所計算的工作面支架工作阻力，指導數據設定22625工作面的液壓支架，并實時監測支架的工作狀態發現：頂板基巖巖層厚度較小的區域頂板周期來壓步距明顯小于頂板基巖巖層厚度大的區域；所監測區域的液壓支架工作平均初撐力在6 352 kN左右，并且發現支架在整個監測過程中最大支撐壓力在9 761.25 kN，雖然超過了設定的工作阻力，但完全在支架安全工作阻力范圍之內，并控制在10%的安全規程內。

4 結論

通過現場實地調研，采用四種物理力學模型來有效分析在支架工作中其工作阻力的設定問題，并合理確定為9 500 kN，并通過后期對現場液壓支架工作狀態的一個實時監測，進一步的驗證了9 500 kN這一數據的科學性，為現場的安全生產提供了科學有效的指導，并對布爾臺煤礦的基巖研究起到了一定的指導意見。