K2灰?guī)r頂板綜采工作面支架合理工作阻力分析

王繼松

(1.晉能集團(tuán)臨汾有限公司，山西 臨汾 041000； 2.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究有限公司，山西 太原 030006)

引 言

大采高或一次采全高綜采工藝使得其綜采效能得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，目前大采高或一次采全高綜采的覆巖控制理論、活動(dòng)規(guī)律和生產(chǎn)實(shí)踐日益完善[1-3]。隨著綜采工作面長(zhǎng)度和煤層埋深的增加，上覆巖層運(yùn)動(dòng)和普通長(zhǎng)度大采高綜采工作面相比有所不同，需對(duì)綜采工作面的合理支架工作阻力進(jìn)行確定[4-6]。本文以某煤業(yè)15203工作面為研究對(duì)象，對(duì)其K2灰?guī)r堅(jiān)硬頂板的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，分析綜采長(zhǎng)工作面支架-圍巖系統(tǒng)的作用機(jī)理，確定15203工作面支架工作阻力，論證分析礦井現(xiàn)有工作面液壓支架能否滿足工作面長(zhǎng)度為280 m時(shí)的頂板管理要求，并給出一次采全高綜采長(zhǎng)工作面支架工作阻力的確定方法。該研究可為K2灰?guī)r頂板綜采工作面支架工作阻力的確定提供參考借鑒作用。

1 15203工作面概況

某煤業(yè)15203工作面位于井田二采區(qū)北部，地層傾角為1°～4°，煤層厚度為4.17 m～5.15 m，平均厚度為4.2 m，常夾0層～2層夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單至較簡(jiǎn)單。煤層頂?shù)装鍘r層分布穩(wěn)定，頂板為K2灰?guī)r，厚度為5.4 m～7.8 m，為堅(jiān)硬巖石，巷道圍巖分類為Ⅰ級(jí)～Ⅱ級(jí)，為非常穩(wěn)定圍巖至穩(wěn)定圍巖。15203工作面為一次采全高綜采工作面，工作面長(zhǎng)度為280 m，采高為4.2 m，推進(jìn)長(zhǎng)度為1 510 m，工作面煤層埋藏深度為250 m～468 m。現(xiàn)有的中間架為ZZ6800/20.5/45，端頭架為ZZGD6800/20.5/45，過(guò)渡支架為ZZGD6800/20.5/45，其中，中間架頂梁長(zhǎng)度為4.195 m，最大控頂距時(shí)梁端距為0.9 m，中心距為1.5 m。

2 15203綜采工作面支架工作阻力分析

綜采支架工作阻力確定的方法主要為采高容重法、實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)法、砌體梁結(jié)構(gòu)分析法和經(jīng)濟(jì)因素估算法。根據(jù)15203工作面工程地質(zhì)條件，15203工作面支架工作阻力確定的具體方法為：采用上述方法初步確定支架的工作阻力，然后，考慮頂板堅(jiān)硬、采高較大等影響，修正相應(yīng)的計(jì)算方法，修正后計(jì)算確定支架工作阻力，最后，考慮15203工作面初采、過(guò)構(gòu)造、過(guò)空巷、大傾角及末采階段等特殊地質(zhì)條件，以及工作面開(kāi)采強(qiáng)度大、推進(jìn)速度快時(shí)支架管理可能不到位，考慮一定的富裕系數(shù)，進(jìn)一步修正支架工作阻力計(jì)算結(jié)果，綜合確定15203工作面支架的工作阻力。

2.1 采高容重法

支架的合理工作阻力應(yīng)能承受控頂區(qū)內(nèi)以及懸頂部分的全部直接頂巖重，還要承受當(dāng)老頂來(lái)壓時(shí)形成的附加載荷。即，該方法是基于懸頂距等于控頂距這個(gè)假設(shè)的，當(dāng)采高較大時(shí)，懸頂距不等于控頂距，取周期來(lái)壓步距。K2灰?guī)r頂板為堅(jiān)硬頂板，周期來(lái)壓較為劇烈，取8倍數(shù)，采用8倍采高容重法的計(jì)算結(jié)果偏低。其支架的工作阻力見(jiàn)第56頁(yè)式(1)。

P=PtS

(1)

式中，Pt為支架支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2，Pt=4hmγ(hm為煤層采高，取4.2 m；γ為K2灰?guī)r容重，取25 kN/m3)；P為支架工作阻力，kN；S為支護(hù)面積，m2，S=(l1+l2)l3(l1為梁端距，取0.9 m；l2為頂梁長(zhǎng)度，取4.195 m；l3為中心距，取1.5 m)。經(jīng)計(jì)算，P=6 291 kN。

2.2 實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)法

K2灰?guī)r為堅(jiān)硬頂板，在初次來(lái)壓前，頂板為雙支點(diǎn)巖梁；初次來(lái)壓后，頂板為懸臂巖梁。頂板初次來(lái)壓時(shí)，支架延米支護(hù)阻力計(jì)算見(jiàn)式(2)。

(2)

式中,L0為初次來(lái)壓步距，取28 m；H為工作面頂板的老頂厚度，取5.9 m；R為支架控頂距，取5.095 m；p0為工作面頂板抗拉強(qiáng)度，取1.8 MPa；q為載荷集度，取376 kN/m2。經(jīng)計(jì)算得RH1為5 090 kN/m，中心距為1.5 m時(shí)，得其支架的工作阻力為7 635 kN。

頂板周期來(lái)壓時(shí)，支架延米支護(hù)阻力計(jì)算見(jiàn)式(3)。

(3)

式中,L為周期來(lái)壓步距，取18 m。經(jīng)計(jì)算得RH2為4 779 kN/m，中心距為1.5 m時(shí)，得其支架的工作阻力為7 169 kN。

2.3 砌體梁結(jié)構(gòu)分析法

工作面支架的作用應(yīng)及時(shí)支撐控頂區(qū)內(nèi)直接頂巖層，避免直接頂和老頂離層而破碎，同時(shí)，要對(duì)上覆巖層可能形成砌體梁結(jié)構(gòu)的老頂巖層以作用力，以平衡其部分載荷，不讓其沿工作面形成切頂及大量的臺(tái)階下沉。其支架支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算見(jiàn)式(4)。

(4)

式中,∑h為直接頂厚度，取7.8 m；θ為巖塊破斷角，(°)；φ為巖塊間摩擦角，(°)；δ為巖塊回轉(zhuǎn)下沉量，m；Q為工作面頂板上方裂隙帶下位巖層中暴露巖塊的全部質(zhì)量，t。φ-θ為巖塊間的內(nèi)摩擦角，一般為0.6°。經(jīng)計(jì)算，采高為4.2 m時(shí)得到支架支護(hù)阻力為6 759 kN。

3 支架工作阻力修正

考慮到15203工作面初采、過(guò)構(gòu)造、過(guò)空巷、大傾角及末采階段等特殊地質(zhì)條件以及工作面開(kāi)采強(qiáng)度大、推進(jìn)速度快時(shí)，支架管理可能不到位，因此，進(jìn)行支架工作阻力計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮一定的富裕系數(shù)。ZZ6800/20.5/45支架為支撐掩護(hù)式支架，其液壓支架支撐效率選0.9。則支架實(shí)際所需工作阻力為采高容重法得到的支架工作阻力為6 291 kN，采用0.9的支撐效率進(jìn)行修正，得其工作阻力為6 990 kN，約7 000 kN；實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)法得到初次來(lái)壓期間，支架的工作阻力為7 635 kN，修正后的工作阻力為8 483 kN，約為8 500 kN；周期來(lái)壓期間，支架的工作阻力為7 169 kN，修正后的工作阻力為7965 kN，約為8 000 kN；砌體梁結(jié)構(gòu)分析法得到的支架工作阻力為6 759 kN，修正后的工作阻力為7 510 kN，約7 600 kN。取其最大值，修正后的15203綜采工作面支架工作阻力為8 500 kN。

4 結(jié)論

1) 采用采高容重法、實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)法和砌體梁結(jié)構(gòu)分析法3種方法初步確定支架工作阻力，然后考慮頂板堅(jiān)硬、采高較大等影響，修正相應(yīng)的計(jì)算方法，修正后計(jì)算確定支架工作阻力，最后考慮工作面初采、過(guò)構(gòu)造、過(guò)空巷、大傾角及末采階段等特殊地質(zhì)條件以及工作面開(kāi)采強(qiáng)度大、推進(jìn)速度快時(shí)，支架管理可能不到位，應(yīng)考慮一定的富裕系數(shù)，進(jìn)一步修正支架工作阻力計(jì)算結(jié)果，綜合確定工作面支架工作阻力。

2) 采高為4.2 m時(shí)，當(dāng)15203工作面長(zhǎng)度280 m時(shí)，考慮工作面最大埋深，確定15203綜采工作面支架工作阻力為8 500 kN。15203工作面現(xiàn)有ZZ6800/20.5/45型支撐掩護(hù)式液壓支架，工作阻力為6 800 kN，不能滿足15203工作面長(zhǎng)度為280 m時(shí)的頂板管理要求。

3) 工作面在開(kāi)采過(guò)程中可能遇到構(gòu)造、空巷、煤層傾角較大等特殊地段，以及開(kāi)采強(qiáng)度大、推進(jìn)速度快時(shí)，支架管理不到位，建議埋深在400 m以下區(qū)域布置工作面長(zhǎng)度不宜超過(guò)200 m，液壓支架工作阻力不低于8 000 kN。