寧杰恒

（山西省臨汾西山能源有限責任公司，山西 臨汾041000）

隨著煤炭開采技術與開采深度的不斷推進，工作面支架的選取以及煤礦上覆巖層的運動規律也需要深入的研究，對此，不少學者已有自己的見解，王國法通過分析近年來大采高技術的發展，進行了大采高液壓支架的可行性分析，為我們提供了重要的支持[1]，徐亞軍通過對工作面液壓支架的力學特性的研究，建立了圍巖與支架相互耦合的數學模型，并將理論分析運用到實際，分析了液壓支架的載荷分布，驗證了其理論的正確性[2]，楊元凱，李瑞杰，孫攀等以神東公司為基礎，探討了煤礦的礦壓理論。通過對頂底板受力的分析，為液壓支架的選擇提供了重要的依據[3]，蘇林軍針對大采高工作面，即一次采全厚的煤層，在其他采煤設備的配合下，重點分析了支架在支護過程中對于頂板的維護作用，液壓支架所受的阻力等力學參數進行了研究，為實際的液壓支架的設計與維護提供了可靠的技術。

本文在眾多學者的研究基礎上，從理論到數值模擬再到數學計算，詳細的分析了工作面復雜的力學規律，在“砌體梁”假說的基礎上，考慮到圍巖與支架的作用規律，對液壓支架的選擇提出了可行性建議。

1 綜采工作面上覆巖層與支架相互作用關系

關于煤礦采場上覆巖層的運動規律，現已有很多假說，“壓力拱”假說認為隨著采煤機的推進，采空區上覆巖層垮落后，此時達到一個穩定的壓力拱結構，支架只承擔壓力拱內巖層的質量就可以保證工作面的連續推進，改假說忽略了支架與圍巖之間的相互作用；“懸臂梁”假說認為隨著工作面的推進，采空區頂板呈現懸空狀態，工作面一端在上覆巖層壓力的作用下固定在煤壁中，只有當工作面推進到一定長度，采空區頂板在自重力的作用力會實現自動垮落，改假說認為這也是形成礦井周期不穩定來壓的原因；“鉸接巖塊”假說認為工作面推進后，支架上方依次會形成不規則的垮落帶、規則垮落帶以及規則的移動帶，采動過后，不規則垮落帶先垮落，規則的垮落帶也就是層狀巖層會隨之垮落，上覆規則的移動帶會在載荷和重力作用下出現不規則的斷層，部分會發生垮落，隨著采煤機的推進，上覆規則移動帶會逐步垮落；“預成裂隙”假說把工作面附近分為應力降低區、應力增高區和采動影響區三個區域，改假說認為隨工作面的采動，原巖應力遭到破壞，上覆巖層會在出現裂縫后逐步形成塑性穩定區，巖層通過自重應力從而實現逐層垮落。

我國學者錢鳴高教授在已有假說的基礎上，創造性地提出了“砌體梁”假說，如下頁圖1所示。“砌體梁”假說認為采動過后，直接頂會先行垮落，直接頂上覆巖層會形成穩定的S-R結構而達到穩定，塊體之間在水平應力的相互作用下能承擔上覆巖層的質量，且靠近直接頂的巖層塊狀相對較多。“砌體梁”假說充分考慮了圍巖與支架相互的作用，它認為因為采動影響，支架被動接受圍巖帶來的壓力從未達到工作面的穩定。該假說成功結合微觀和宏觀，解釋了巷道圍巖和支架相互作用的規律，為我國煤礦安全生產提供了強大的理論支持。

2 工作面液壓支架的數值模擬以及選擇

在煤礦生產中，采煤機是必不可少的機械設備，上文我們對采場上覆巖層和支架的演化規律進行了討論，本節我們用FLAC3D數值模擬軟件對工作面的原巖應力分布以及不同支護強度下巖層的垂直位移云圖進行了模擬，FLAC3D因為其強大的繪圖能力以及豐富的數值模型而受到國內學者的肯定，利用FLAC3D的數值耦合計算進行了模擬，從模擬圖2中可以看出，在所選取的范圍內，巖層的原巖應力隨埋藏的增加而增加，埋藏淺的巖層則其原巖應力相對較小，況且巖層之間的應力分布界限非常明顯。

圖1 “砌體梁”假說模型

圖2 原巖應力（Pa）分布圖

圖3 支護強度為0.5 MPa時的垂直位移（m）云圖

圖4 支護強度為1.0 MPa時的垂直位移（m）云圖

圖3、圖4模擬了支護強度為0.5 MPa和1.0 MPa情況下垂直位移云圖，兩種支護強度下最大的垂直位移分別為3.7 cm和2.9 cm，從模擬圖3、圖4中可以明顯看到上覆巖層的位移移動有所改善，支護強度為0.5 MPa時，直接頂位移明顯較大，其上覆巖層也因直接頂位移的改變而增加；對于支護強度為1.0 MPa的情況，直接頂的位移得到明顯的改善，從數值上減少了0.8 cm，這一改變對于工作面的采動支護有重要的影響。同時依然可以看到支護強度增加后，上覆巖層垂直位移依次降低。

根據數值模擬的結果以及實際的數據，計算得到了支護強度的與頂板垂直位移的關系圖，如圖5所示。整體來看，支護強度的增加后，頂板垂直位移得到較大的改善，在支護強度為0～0.4 MPa時，頂板垂直位移隨支護強度稱線性減少的趨勢；當支護強度為0.4～0.7 MPa時，頂板垂直位移減低趨勢減小，但是依舊在支護的作用下遞減；當支護強度為0.7～1.0 MPa時，頂板的垂直位移效果最佳，雖然其變化率最低，但是效果是最佳的，尤其當支護強度為1.0MPa時，曲線接近平緩，支護達到最佳的效果，這也是所預期的結果。

結合實際情況，雖然支護強度為1.0 MPa效果最佳，頂板垂直位移最小，但是考慮到直接實際的承壓能力以及經濟效益，當頂板垂直位移不足以影響生產，支架的承壓能力又剛好支撐頂板時，達到支護與實際經濟效益的統一。

根據“砌體梁”假說，在采煤機采過后，上覆的巖層并不是直接全部的垮落，支架的選擇只需要保證采煤過程中頂板的最大應力區的最大應力以及由于采動過程中帶來的沖擊載荷的沖擊作用，要想滿足此要求，支架最好選擇穩定的四柱式液壓支架，此支架在保證支護強度的基礎上，可以對礦山的周期來壓等實現多次重復性的支撐作用，同時因為支架上部面積較大，可以實現工作面頂板的完整性和穩定性，這可以減少不穩定的壓力對設備以及工作面造成的無規則破壞，對于井下頂板相對破碎的煤壁，此支架是非常好的選擇，并且因為支架的工作靈活性大、便于維修、適用范圍廣等優點，我們將其作為首選的支護設備。

圖5 不同支護強度下頂板垂直位移關系圖

3 結論

通過對已有綜采工作面上覆巖層與支架相互作用有關假說的討論，對工作面垂直位移和支護強度進行了數值模擬，并對支架的選擇進行了可行性分析，得到以下結論：

1）在已有的假說中，錢鳴高教授提出的“砌體梁”假說除考慮到上覆巖層的自重與相互作用外，還考慮到圍巖與支架之間的相互作用，充分解釋了工作面復雜的應力環境，為我國煤炭安全開采提供了重要的理論支持。

2）通過對支護強度為0.5 MPa時的垂直位移云圖和1.0 MPa時的垂直位移云圖的模擬，發現支護強度值越高，垂直位移越小，考慮到實際的工作情況和經濟效益，支護強度定為0.7 MPa是最合適的選擇。

3）對于支架的選擇，應該充分考慮到支架的支護能力以及對不同頂板的支護效果，在合理的支護強度范圍內，達到安全穩定的支護效果，并用相對較小的投入得到可觀的收益是煤礦的首選。