特厚煤層支架工作阻力適應性研究

劉 華 軍

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

1 工程概況

斜溝煤礦23110 綜放工作面使用綜采放頂煤工藝、自然垮落法的頂板管理方法，回采面長240m、所采的13# 煤層均厚15m，平均傾角7.1°，回采時的機采高度4m。煤層直接頂炭質泥巖均厚1m，基本頂細粒砂巖均厚7.4m；直接底巖性與直接頂相似，為較破碎的炭質泥巖，均厚2.07m，基本底均厚9.25m，為灰黑色的泥巖。工作面共布置ZF13800/27/42 型液壓支架128 架，目前通過對23110 綜放工作面回采過程中來壓現象進行監測，發現支架在非來壓期間的平均工作阻力為7500kN，回采時周期來壓步距為12m，而支架在來壓期間的平均工作阻力可上升至15000kN，導致安全閥頻繁開啟，并且觀察到來壓期間工作面頂板下沉量大， 存在壓架的安全隱患， 故需對ZF13800/27/42 型液壓支架的適應性進行研究。

2 頂板力學特征分析

圖1 大采高放頂煤覆巖結構示意圖

煤層厚度達15m 的特厚煤層開采時，工作面后方覆巖垮落空間大，因此覆巖垮落影響劇烈，并且由于斜溝煤礦特厚煤層采高達4.0m，使得一般采高下回采后覆巖中可形成穩定結構的基本頂會成為隨采垮落的直接頂，更高位的堅硬覆巖形成回采過后覆巖砌體梁結構中的基本頂，如圖1 所示。當工作面支架阻力達不到控制覆巖頂板下沉的要求時，直接頂下沉超過一定值后，會導致覆巖中懸臂梁的回轉下沉，使其承載能力降低，破壞砌體梁的完整性，工作面來壓時會進一步導致砌體梁的滑落、失穩，進一步導致強烈礦壓顯現，使工作面支架承受較高的工作阻力。

2.1 非來壓期間

綜放工作面在非來壓期間正常推進時，工作面覆巖形成的多層懸臂梁的自重對工作面液壓支架產生作用力。

對于懸臂結構[1-2]，第i 層單邊固定的懸臂梁長度Li及自重Gi分別由式1、式2 計算得到：

式中：RTi為第i 層巖層的單軸抗壓強度，MPa；hi為第i 層巖層的厚度；qi為第i 層巖層形成懸臂梁上單位長度所受載荷，MPa。

其中：b 為綜放工作面支架寬度，m。

工作面覆巖所形成懸臂梁重心與工作面煤壁距離不同時，產生的作用力也不同。第i 層單邊固定的懸臂梁重心與工作面煤壁之間的距離xi一般為該層懸臂梁長度的一半，即架在多層覆巖懸臂梁作用下需承擔的作用力FC由式3 所得：

式中：hm為待放頂煤厚度，m；lr 為液壓支架立柱中心點與煤壁的距離，m；γm為待放頂煤平均容重，kN/m3；ld 為綜放支架頂梁的長度，m；k 為相鄰支架前后挪動距離系數，取1.2。

2.2 來壓期間

隨著工作面的持續回采，工作面覆巖形成的懸臂梁達到一定長度后，會發生回轉、破斷，造成工作面來壓，而懸臂梁演化為砌體梁，因此，液壓支架在低位處提供等同于覆巖懸臂梁自重的阻力的同時，還應在高位處保證支架對所形成的砌體梁有一定的支撐力[3]，防止覆巖產生的懸臂梁發生回轉時影響上層位砌體梁結構的穩定性。

對于砌體梁結構[4]，工作面液壓支架回采過程中需維持砌體梁穩定所提供的作用力Fj可由式4進行計算：

式中：Q0為工作面覆巖關鍵層所控制巖層及其自身的載荷，kN；l 為回采中周期來壓步距，m；s 為回采過程中覆巖關鍵層下沉量，m；θ 為覆巖破斷角，°；h 為覆巖關鍵層厚度，m；φ 為覆巖巖塊間摩擦角，°。

綜上，可以得到大采高放頂煤工作面液壓支架所需工作阻力F 的計算公式式5：

若液壓支架所能提供的最大工作阻力也無法使砌體梁結構保持穩定，砌體梁的滑落失穩則一定會使懸臂巖梁發生剪破壞，在液壓支架頂梁長度范圍內發生剪破壞懸臂梁會施加載荷于支架，使支架承受較高的工作阻力。

3 支架工作阻力的確定

將斜溝煤礦23110 綜放工作面覆巖巖層的具體參數代入上述公式進行23110 綜放工作面安全回采所需支架工作阻力的確定。

3.1 非來壓期間支架阻力計算

工作面正常推進未受周期來壓影響時，其覆巖形成的懸臂梁為“倒臺階”結構。23110 綜放工作面煤層上方各層巖層強度不同，致使覆巖在回采過后形成了多層懸臂梁組合結構，且在該典型的" 倒臺階" 結構中，由下至上的懸臂梁長度逐漸增加，多層懸臂梁同頂煤一起施加載荷于支架。煤層直接頂炭質泥巖強度不高，但在跨落后形成較短的懸臂仍可對上方巖性更弱、層厚較小的泥巖與炭質泥巖提供支撐力，形成了第一層“倒臺階”懸臂梁；同理該懸臂梁上方質地較硬的粗砂巖和細砂巖會形成第二層、第三層“倒臺階”懸臂梁，如圖2 所示。

圖2 23110 工作面非來壓期間覆巖懸臂梁結構示意圖

23110 綜放工作面待放頂煤厚為11.0m，平均容重為14kN/m3，液壓支架立柱中心點與煤壁的距離為3.8m，綜放支架頂梁的長度為5.5m、寬1.75m，并將覆巖具體力學參數代入式3 計得出，在工作面非來壓正常回采期間液壓支架受覆巖多層懸臂梁載荷作用所表現出來的工作阻力FC=7450kN。與該工作面非來壓回采過程中支架工作阻力的礦壓監測結果相符，說明所采用支架的工作阻力可滿足該工作面非來壓期間安全回采的要求。

3.2 來壓期間支架阻力計算

在工作面周期來壓期間，液壓支架所需工作阻力F 由承載上覆低位懸臂梁載荷和保持高位砌體梁穩定情況下所需工作阻力兩部分組成，即F=FC+Fj。

23110 工作面覆巖中關鍵層的厚度為14.3m，現場回采過程中的礦壓監測顯示，回采時的周期來壓步距為11.5m，回采過后關鍵層有3.5m 的下浮，覆巖各巖塊間平均摩擦角取45°，將上述參數代入公式即得到在工作面周期來壓期間可保證工作面安全回采的支架阻力為F=FC+Fj=7503+10476=17979kN。

若支架在工作面來壓期間所提供工作阻力達不到17979kN，就會導致覆巖砌體梁結構失穩及懸臂梁的剪切破壞，此時破斷的懸臂梁對支架的載荷此時工作面支架所受到的作用力將不小于Fj與Fz之和，即F≥Fj+Fz=21846kN。從而使支架承更高的工作阻力，產生壓架的安全隱患。

4 結 論

本文以斜溝煤礦23110 綜放工作面的回采作業為背景，通過對特厚煤層綜放工作面覆巖頂板來壓期間與非來壓期間的力學特征進行分析，發現由于特厚煤層工作面后方覆巖垮落空間大，導致回采過程中覆巖會形成下位“倒臺階”懸臂梁、上位砌體梁的結構，并通過理論計算得液壓支架的工作阻力高于17979kN 時，才能避免覆巖砌體梁結構失穩滑落，保證斜溝煤礦23110 綜放工作面的安全回采，否則砌體梁結構的失穩滑落會導致支架承受不低于21846kN 的工作阻力，增大壓架的風險。