弱膠結軟巖采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架適應性評價

李培賢，賀小平，張廣山，任 強，周 凱，于鳳海，王 博，楊雨默

(1.內蒙古煤礦安全監(jiān)察局 鄂爾多斯監(jiān)察分局，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2. 鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業(yè)有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000；3. 山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266000)

煤炭是我國的主體能源，而且在未來相當長時期內，煤炭作為主體能源的地位不會改變[1]。井工煤礦開采過程中，工作面的礦壓顯現(xiàn)是由上覆巖層破斷移動引起的，其顯現(xiàn)的強烈程度不僅與覆巖結構特征及其移動特征有關，還與工作面支架的性能及其支護工況密切相關[2]。

針對采場支護礦壓控制問題，朱衛(wèi)兵等[3]基于遠場關鍵層運動角度，對工作面推采過程中的大周期來壓現(xiàn)象進行研究；賈喜榮教授[4]推導出了板理論在采場礦壓顯現(xiàn)方面的理論解，拓展了頂板來壓計算的方法。工程實測是研究礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的基礎手段[5-7]；通過數(shù)值模擬分析[8-10]和物理相似性模擬[11-12]的手段也可以得到工作面開采過程中上覆巖層的應力分布規(guī)律，研究得到不同工程地質條件下采場的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。紅慶梁煤礦屬于弱膠結軟巖條件下新建礦井，承載力低、遇水泥化的圍巖特性導致其他采場礦壓規(guī)律無法有效適用，還需要通過實測進行采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究，工作面的支架選型是否合理也需要通過研究進一步驗證。

本文擬通過現(xiàn)場實測及理論分析相結合的方法，獲得弱膠結軟巖巷道采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并通過工作面支架受力反演直接頂及基本頂厚度，驗證支架選型的適應性問題。

1 工程地質概況

1.1 工程狀況

紅慶梁煤礦主采3-1煤，11302工作面位于11301工作面與11307工作面之間，南部11301工作面已開采，北部11307工作面未采動。11302工作面走向長度為4 183 m，傾斜長度為280 m。具體工程狀況如圖1所示。

圖1 11302工作面推采位置示意

1.2 地質概況

結合工作面附近地質鉆孔揭露情況，11302工作面頂板巖層大體分為粉砂巖(約7.83 m)、砂質泥巖(約16.87 m)及礫巖層(約21.97 m)，煤厚約為4.14 m，如圖2所示。

1.3 工作面支護情況

11302工作面支護及巷道超前支護示意如圖3所示，工作面共布置164臺液壓支架。其中，有7臺端頭液壓支架，2臺過渡架。膠運巷超前支護采用ZTCX30000/25/45D型液壓支架進行支護。回風巷超前支護采用ZQ6000/22/39型液壓支架支護。

圖2 11302工作面地質鉆孔柱狀圖

圖3 工作面支護及巷道超前支護示意

2 采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2.1 直接頂初次垮落步距

11302工作面回風巷側直接頂先垮落，膠帶巷側頂板與中部頂板幾乎同時垮落，直接頂垮落時工作面支架壓力較大，支架泄壓閥開啟。

11302工作面支架在頂板直接頂垮落期間壓力平均為42.8 MPa(11 855.6 kN)，工作面中部支架壓力最大，膠帶巷側支架壓力最小，見表1。直接頂垮落步距為9～10 m。

表1 11302工作面直接頂初次垮落期間支架壓力

2.2 基本頂初次來壓步距

現(xiàn)場觀測及支架壓力分析如表2所示，工作面基本頂初次來壓順序為“中部—兩端頭”，中部頂板初次來壓要提前兩端頭處約24 h。工作面支架在基本頂初次來壓期間平均壓力為12 077.2 kN，工作面中部支架壓力最大，回風巷側支架壓力最小。基本頂初次來壓步距為43.3～ 53.3 m。

表2 11302工作面基本頂初次來壓期間支架壓力

2.3 基本頂周期來壓步距

對基本頂周期來壓期間支架壓力分析，支架壓力與回采距離之間的關系如圖4所示。

圖4 初采階段支架工作阻力曲線

根據(jù)支架工作阻力變化特征挑選基本頂周期來壓特征點，并依次確定基本頂周期來壓強度與周期來壓步距，得到11302工作面周期來壓期間頂板來壓參數(shù)，如表3所示。

表3 11302工作面周期來壓期間頂板來壓參數(shù)

由表3可知，11302回采工作面初采階段基本頂周期來壓強度平均為12 450.49 kN，周期來壓步距平均為14.3 m。膠帶巷側頂板來壓強度較大，工作面中部頂板來壓強度次之，回風巷側頂板來壓強度最小。

3 采場支架適應性評價

3.1 支架需控巖層范圍實測反演

1) 直接頂厚度。利用采場來壓前或來壓結束后工作面重新推進時支架工作阻力反推直接頂厚度。取采場液壓支架頂梁為研究對象，其受力情況如圖5所示，頂梁在自身重力G、頂板巖層作用力FZ、立柱作用合力FS及掩護梁作用力FS1下平衡。

圖5 直接頂厚度現(xiàn)場實測推斷示意

考慮到掩護梁作用力大小FS1和其方向均隨支架工作位態(tài)的變化而變化，因此，對掩護梁作用力作用點O建立力矩平衡方程如下：

(1)

式中:FS為綜采液壓支架來壓結束后立柱對頂梁的作用合力；G為綜采液壓支架頂梁重量；FZ為直接頂巖層對綜采液壓支架頂梁作用力；L1為綜采液壓支架立柱對頂梁作用點到頂梁末端距離；α為綜采液壓支架立柱與頂梁的夾角；LR綜采液壓支架頂梁長度。

由此求得，頂板對頂梁作用力FZ為

(2)

當綜采液壓支架支護工作面頂板巖層來壓結束后，工作面重新推進時支架工作阻力僅為直接頂巖層作用。此時，頂板對巖梁作用力為直接頂巖層重量，即:

FZ=MZLKLdγZ

(3)

式中:MZ為直接頂巖層厚度；γZ為直接頂巖層容重；LK為綜采液壓支架控頂距；Ld為相鄰兩綜采液壓支架中心距。解得直接頂巖層厚度為:

(4)

由此階段得到直接頂厚度情況見表4。

表4 直接頂厚度實測推斷統(tǒng)計

由表4統(tǒng)計結果可知，直接頂厚度范圍為10.6～13.3 m，平均為12.1 m。

2) 基本頂厚度。由于11302工作面直接頂上方頂板主要為砂質泥巖、粉砂巖和礫巖層，其中砂質泥巖巖性整體膠結性較差，其單軸抗壓強度為13.45～21.16 MPa，平均17.45 MPa，屬于典型軟弱巖層，而礫巖層巖性整體堅硬，由此基本頂厚度現(xiàn)場實測推斷示意圖如圖6所示。

圖6 基本頂厚度現(xiàn)場實測推斷示意

同直接頂厚度實測模型相似，對掩護梁作用力作用點O建立力矩平衡方程如下：

(5)

式中:FS0為綜采液壓支架來壓時立柱對頂梁的作用合力；F為直接頂與基本頂巖層對綜采液壓支架頂梁作用力。

解得頂板巖層(直接頂和基本頂)對頂梁作用合力F為:

(6)

考慮到基本頂為多巖梁結構，頂板巖層(直接頂和基本頂)對頂梁作用合力F為：

(7)

式中:ME為基本頂巖層厚度；γE為基本頂巖層容重；KT為基本頂巖梁巖重分配系數(shù)；C為基本頂來壓步距。

聯(lián)立式(6)、(7)，解得基本頂巖層厚度為:

(8)

式中：△F為同一來壓周期內來壓時與來壓結束后支架工作阻力差值。

由此階段得到直接頂厚度情況見表5。由表5統(tǒng)計結果可知，基本頂厚度范圍為14.1～15.3 m，平均為14.6 m。

表5 基本頂厚度實測推斷統(tǒng)計

3.2 支架合理工作阻力

綜采液壓支架的額定工作阻力是支架最重要的工作參數(shù)，是支架選型的核心，關系到支架制造成本和實際控頂效果。液壓支架工作阻力的確定方法一般采用實測分析法、載荷估算法及理論計算法三種[13]。

3.2.1 實測分析法

正常情況下，采煤工作面支架工作阻力的統(tǒng)計值包括來壓時均值阻力、均值偏阻力、均值上阻力，加上支架額定工作阻力，據(jù)此確定采煤工作面支架合理的工作阻力。

1) 支架額定工作阻力P。支架額定工作阻力是指支架設計時，支架各立柱的支撐能力之和，其計算公式如下：

(9)

式中：P為支架額定工作阻力；φi為支架立柱內徑；n為立柱數(shù)量；Pi為支架立柱安全閥開啟壓力。

(10)

(11)

(12)

(13)

11302工作面中部及上下端頭側綜采支架整體工作阻力、均值偏阻力和均值上阻力情況及其相應超限比率見表6。結合支架額定工作阻力超限比率，得到基于現(xiàn)場實測獲取的采場支架合理的工作阻力為13 000 kN。

表6 工作面采場支架工作阻力參數(shù)統(tǒng)計

3.2.2 載荷估算法

考慮直接頂自重引起的載荷及因基本頂斷裂后周期來壓而形成的載荷，以一定倍數(shù)采高的頂板巖體質量來確定液壓支架工作阻力，由此可知支架支護強度及工作阻力為:

p=NSγh

(14)

(15)

式中：p為支護強度；NS為采高倍數(shù)，取4～8；Ld為支架頂梁長度；LC為支架頂梁前端到煤壁的距離；LB為支架頂梁寬度；LJ為架間距；KS為液壓支架支護效率。

根據(jù)載荷估算法，計算得到支架工作阻力最小要求為12 471.1 kN。

3.2.3 理論計算法

根據(jù)現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)特征，推斷11302回采工作面采場覆巖結構為多巖梁結構(下位傳遞巖梁、上部巖板)，其支護強度的計算公式為：

(16)

式中：PT為支架工作阻力；A為直接頂載荷；mE為基本頂巖層厚度。

根據(jù)理論計算法計算得到支架工作阻力最小要求為9 986.1 kN。

3.3 支架適應性評價

上述三種方法獲取的采場支架工作阻力情況見表7。

表7 11302回采工作面采場支架工作阻力統(tǒng)計

11302采煤工作面支架合理的工作阻力為13 000 kN，從支架工作阻力角度出發(fā)，現(xiàn)使用的綜采液壓支架能夠滿足支護需求。

4 結 語

1) 11302工作面直接頂回風巷側先垮落，基本頂垮落步距為9～10 m；基本頂初次來壓先工作面中部后兩端頭側后，基本頂初次來壓步距為43.3～53.3 m；周期來壓步距平均為14.3 m。

2) 基于工作面液壓支架受力進行直接頂及基本頂厚度反演，由此得到初采期間直接頂厚度范圍10.6～13.3 m，平均為12.1 m；基本頂厚度范圍為14.1～15.3 m，平均為14.6 m。

3) 通過實測分析、載荷估算及理論計算的方法，確定11302采煤工作面支架合理的工作阻力為13 000 kN，從支架工作阻力角度出發(fā)，現(xiàn)使用的綜采液壓支架能夠滿足支護需求。