基于礦壓監測數據的回采工作面支架適應性研究

肖 瑤，張小康

(霍州煤電集團有限責任公司， 山西 霍州 031400)

液壓支架是回采工作面最為重要的裝備之一，除了對刮板輸送機等設備進行推移外，更重要的是要通過其工作阻力，維護采場上覆巖層的穩定、確保采場作業空間。因此，對于生產期間特別是來壓期間，液壓支架工作阻力發揮效能如何、能否對來壓期間的上覆巖層實現有效控制，是工作面能否實現安全、高效生產的一個重要因素。國內外學者在支架結構與支架適應性方面進行了大量的理論研究，文獻[1]構建了液壓支架“三因素指標體系”適應性評價指標，文獻[2]對比分析了兩柱支架和四柱支架的優缺點和適應性，文獻[3]認為四柱支撐掩護式支架具有更好的端面控頂效果，文獻[4-5]分析了平衡千斤頂對兩柱掩護式支架適應性的影響，文獻[6]對頂梁外載荷作用位置進行了理論研究，得出支撐掩護式支架頂梁長度確定原則。上述研究較為全面地從支架結構方面對支架的適應性進行了研究，但結合覆巖破斷規律及現場礦壓監測數據進行支架適應性的評價工作開展較少。本文以干河煤礦2-116工作面為例，通過研究工作面生產過程中圍巖運動與支架承載情況，分析該系列支架的適應性。

1 工作面工程地質條件

霍州煤電集團有限責任公司干河煤礦井田面積為35.559 9 km2，生產能力為210萬t/a.該礦2-116工作面地表位于工業廣場西南部，地表形態屬低山黃土丘陵，以黃土梁、垣特征，黃土沖溝發育，工作面地表大部為農田耕地，黃土覆蓋厚度30～90 m，基巖厚510～590 m，埋藏深度較大。2-116回采工作面煤層平均厚度3.5 m，夾矸0.4 m左右。煤層結構1.6(0.4)1.5，煤層傾角4°～12°，平均8°. 以工作面開采范圍的M-1-2鉆孔所示巖層地層分布特征，分析2#煤層上覆頂板巖層情況。

2 基本頂的判別及斷裂步距

2.1 基本頂的判別

工作面覆巖基本參數見表1，根據巖層載荷計算公式[7-9]：

(1)

式中：

(qn)1—第n巖層對第一層的載荷，MPa;

q1—第一層關鍵層自身載荷；

Ei—第i巖層的彈性模量，MPa；

γi—第i巖層的重度，MN/m3；

hi—第i巖層的厚度，m.

第一層本身的載荷q1為：

q1=γ1h1=27×1.59=42.93 kPa

(2)

考慮到第二層對第一層的作用：

以此類推，2-116工作面覆巖巖性及覆巖載荷計算結果見表1.

表1 覆巖載荷計算結果表

由計算結果可知，第三層及以上巖層對第一層的載荷影響不大，第八層及以上巖層對第三層的載荷影響不大，單純從覆巖載荷來看都可以是基本頂。但是第三層巖層距離煤層過近，處于垮落帶范圍，而第八層巖層本身強度高、厚度大、距離煤層遠，位于覆巖的斷裂帶，因此判斷第八層巖層為覆巖的基本頂。

2.2 斷裂步距的計算

基本頂在初次垮落之前，由于工作面推進距離不足，導致采動空間相對較小而前后均為實體煤，破斷方式可簡化成為梁式破斷。在按照梁式計算破斷步距時，在一般情況下，由于彎矩形成的極限跨距要比剪應力形成的極限跨距小，因此常常按照彎矩來計算極限跨距，梁式計算分為簡支梁與固支梁。在初次破斷情況下兩邊均為實體煤，所以按照固支梁計算。

所以基本頂所承受的載荷由表1知q1=295.95 kPa，抗拉強度經細粒砂巖物理參數性質表查得Rt=6.75 MPa.

計算公式為：

(3)

式中：

L1—基本頂的初次來壓步距，m；

h—基本頂的層厚，m；

Rt—基本頂的抗拉強度，MPa；

q1—基本頂上覆巖層所承受載荷，kPa；

由式(3)得：L1=39.77 (m)

當工作面推進一定距離后，基本頂開始周期斷裂，推進方向為實體煤，假設推進相反方向基本頂并未斷裂，整體呈懸臂梁結構，所以基本頂周期來壓簡化成懸臂梁后的步距公式為：

(4)

代入后由式(4)算得：L2=16.55 m

綜上所述，基本頂按照梁式破斷時的初次破斷步距L1=39.77 m，周期破斷步距L2=16.55 m.

3 基本頂來壓強度的理論計算與現場實測

3.1 基本頂來壓對工作面支架載荷的計算

當基本頂達到極限跨距后，隨著回采工作面的繼續推進，基本頂開始發生斷裂，斷裂后成為外表似梁，實質是拱的“砌體梁”結構。工作面前端為實體煤，看作為固支端。基本頂自重和上覆巖層對基本頂的作用力為結構提供向下的載荷，支架和咬合點回轉變形兩處提供一個向上的支座反力。但考慮到直接頂巖層隨采隨冒，不能按照極限垮落步距來計算，同時考慮到支架掩護長度為5 m，所以定義直接頂在垮落時的距離為5 m. 該計算過程中，為方便計算取各層寬1 m，支架寬1 m，平均載荷換算成集中載荷進行計算。對支架進行受力分析，建立平衡方程如下：

由豎直方向靜力平衡條件：

∑Fy=0q直+q基+q3=F支+R

(5)

由鉸接覆巖力矩平衡：∑M=0

(6)

式中：

q直—直接頂集中載荷，MPa,取0.44；

q基—基本頂集中載荷，MPa,取2.82；

q3—上覆巖層對基本頂的集中載荷，MPa,取8.57；

F支—支架所承擔的反力，取其集中力，MPa；

R—巖塊咬合點回轉變形所提供的反力，kN；

l2—基本頂周期破斷步距，m,取16.08；

l直—直接頂垮落步距，m,取8；

l控—最大控頂距與最小控頂距平均值，m,取5.

聯立式(5)和式(6)，求得支架所受到的集中載荷結果為：

F支=7.14 MPa

干河煤礦工作面采用的支架型號為ZY-9000/25.5/55，分左柱和右柱，柱徑D=0.36 m，支架所受壓力經計算求得F支=7.24 MPa.那么考慮到液壓柱在周期來壓時所受壓力的大小為：

前述構建的平衡結構模型默認上覆巖層均勻連續，同時默認來壓時直接頂與基本頂為整體性下沉，并未考慮離層情況，計算存在誤差，定義誤差系數K=0.95來對計算的實際結果進行修正。

經理論計算求得來壓時工作面支架液壓缸所受載荷F柱=35.59 MPa，其實際情況為：

F實=F柱×K=33.81 MPa

3.2 來壓特征分析

在工作面6號、56號、116號綜采液壓支架設置監測測線，將3條監測測線綜采液壓支架工作阻力監測歷史數據導出，把典型的具有周期來壓特征的數據用Excel折線圖表示，在各測線上選擇具有連續性、特征性的一組時間段，并在該段時間內截取來壓周期具體的時間進行研究。工作面第6號、56號、116號支架工作阻力選取具體時間段分別為2018.07.03—2018.07.28、2018.08.13—2018.09.10、2018.09.03—2018.09.31.

工作面來壓期間支架工作阻力數值特征分析研究考慮到涉及基本頂周期來壓、來壓強度的數據統計，計算過程非常繁瑣，牽扯到大量的計算參數與計算公式，從簡化計算方面來講，合理的定義出計算參數與計算公式是非常有必要的。

基本頂斷裂步距的統計計算公式：

(7)

式中：

j—選取數據的周期來壓連續時間段內的第j次來壓，次；

n—選取的連續時間段內周期來壓次數，次。

基本頂來壓強度的統計計算公式：

(8)

式中：

n—選取的連續時間段內周期來壓次數，次。

以下在進行支架工作阻力數值特征的統計運算時，避免反復出現相同公式計算，默認上述公式。

為分析支架實際破斷來壓歩距，需要了解不同時間工作推采進尺，對支架工作阻力來壓分析時，利用工作面進尺反推來壓步距。工作面進尺情況見表2.

表2 回采工作面進尺表

1) 實測6號支架工作阻力數值分布特征見圖1. 由圖1可知，2018年7月03日—18日，6號支架共計5次周期來壓，選取第1、2、3次進行分析，分別為3日、9日、14日，間隔5天、5天和4天，來壓情況成持續上升狀態，最大值為37.8 MPa.

按式(8)計算6號支架第一段連續時間內平均周期來壓強度可得：

圖1 6號支架工作阻力分時分布特征圖

2) 56號支架工作阻力分布特征見圖2. 由圖2分析可知，8月26日支架因設備故障問題導致數據缺失，無法準確地進行來壓判別，但是綜合考慮116工作面的頂板來壓規律加以現有數據的引導，可以推測8月28日缺失的時間段為頂板周期來壓時間，故8月8日—9月7日之內共計6次周期來壓，選取第3、4、5次周期來壓進行分析，分別為13日、17日、9月2日，分別間隔4天、4天、3天。來壓情況成持續上升狀態，最大值為44.7 MPa.

圖2 56號支架工作阻力分時分布特征圖

3) 116號支架工作阻力分布特征見圖3.由圖3可知9月1日—9月13日之內共計5次周期來壓，選取第1、2、3次周期來壓分析，分別為1日、5日、9日，間隔3天、4天和4天，來壓情況成持續高壓狀態，最大值為38.5 MPa.

按式(8)計算116號支架連續時間段內平均周期來壓強度可得：

圖3 116號支架工作阻力分時分布特征圖

4 2-116工作面支架適應性分析

將涉及到3條測線中的3架支架工作阻力數值匯總，各臺支架選取一組連續時間段，總計3組數據，各組數據又分為基本頂周期來壓步距與基本頂周期來壓強度共兩組，所以需要選取具有代表性的來壓步距與來壓強度數值與前述的理論計算結果進行比較。基本頂來壓特征情況多復雜變化，很難進行細節研究，所以考慮用各組數值相加求平均值的方法，求出一個不夠精準但是具有代表性的平均值，與之前理論計算得到的結果進行一個大范圍上的比較，驗證理論計算結果的真實性，并且求出理論結果與實際數據存在的誤差百分比。

來壓實際支架工作阻力平均值計算：

前述通過力學平衡化簡構建模型求得基本頂周期來壓強度F實=33.81 MPa，求得基本頂周期來壓步距L2=16.55 m.

理論計算結果與實際工作阻力、周期來壓步距的誤差百分比為：

經誤差百分比可知，前述通過構建力學平衡的方法推算基本頂來壓周期的強度、步距大小大體上接近基本頂周期來壓時的實際支架的工作阻力，計算的周期來壓強度誤差為-5.6%，計算的來壓步距誤差為5.3%.

5 結 論

1) 綜上理論分析與現場實測，2-116工作面所使用的ZY-9000/25.5/55支架工作阻力與來壓強度匹配度好，可以滿足工作面頂板控制與安全生產的要求。

2) 在干河煤礦生產實際條件下，可以利用經典礦山壓力的基本頂分析及其斷裂步距分析，預測工作面周期來壓強度，從巖層控制方面對支架的選型可以起到較好的支撐作用。