大采高工作面液壓支架工作阻力的計算與分析

趙 晨

（山西煤炭運銷集團(tuán)裕興煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

1 工作面概況

裕興煤業(yè)15203工作面位于井田二采區(qū)中部，南側(cè)靠近F1斷層，西側(cè)為采區(qū)大巷，東側(cè)為井田邊界。15203工作面位置如圖1所示。工作面設(shè)計長度為280 m，采高為4.2 m，可采長度為1 500 m，工作面區(qū)域煤層埋藏深度為240～460 m。工作面無其他地質(zhì)構(gòu)造，巖層傾角平均為3°～8°，頂?shù)装鍘r層賦存條件相對穩(wěn)定，頂板為K2灰?guī)r，局部為黑色泥巖，完整性好，底板為泥巖或粉砂巖。

圖1 15203工作面布置圖

2 支架工作阻力計算方法

2.1 方法選取

選取思路為先采用理論計算方法初步求得支架工作阻力，然后綜合堅硬頂板、大采高因素，適當(dāng)修正計算結(jié)果，還要留出富裕系數(shù)用來抵消特殊地質(zhì)條件及現(xiàn)場管理不強等因素，再次完善計算結(jié)果，最后結(jié)合數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)[1-2]，確定15203工作面支架工作阻力的取值。

2.2 理論計算

2.2.1 采高容重法

采高容重法是以支架控頂距內(nèi)全部直接頂?shù)膸r重及基本頂來壓時形成的額外載荷為阻力計算依據(jù)。在周期來壓影響較低時取低倍數(shù)，周期來壓劇烈時取高倍數(shù)。

根據(jù)收集的資料，裕興煤業(yè)15203工作面為大采高綜采工作面，工作面周期來壓較為劇烈，因此計算時采用高倍數(shù)。另外，根據(jù)收集的資料可知，工作面頂板巖石容重為2.5 t/m3，重力加速度g取9.8 m/s2，支架頂梁長度為4.195 m，最大控頂距時梁端距為0.9 m，中心距為1.5 m，則采高為4.2 m時支架工作阻力如下：P=PtS=8×4.2 m×2.5 t/m3×（0.9 m+4.195 m）×1.5 m=641.97 t=6 291 kN。其中，P為支架工作阻力，單位為kN；Pt為支架工作強度，單位為kN/m2，Pt=8Hr，8為常數(shù)，H為煤層采高，取4.2 m，r為體積力，取2.5 t/m3；S為支護(hù)面積，單位為m2，S=（梁端距+頂梁長度）×中心距。

2.2.2 實測統(tǒng)計法

根據(jù)堅硬頂板礦壓理論可知，同層堅硬頂板可被看作連續(xù)介質(zhì)，按照巖梁和巖板建立其計算模型。根據(jù)實測，上一個工作面初次垮落步距為32 m，由于工作面長度和煤層埋深增加，15203工作面長度為280m，初次垮落步距會相對變小，根據(jù)經(jīng)驗取Lf=28m；基本頂厚度取5.9 m；支架最大控頂距為5.095 m；備用系數(shù)CK，按1.5考慮。

1）頂板初次來壓時，支架延米支護(hù)阻力RH1如下：

式中：L0為初次來壓步距，在老頂厚度為14.96 m時取L0=28 m；H為基本頂厚度，本工作面取5.9 m；R為最大控頂距，取5.095 m；p0為頂板巖層抗拉強度，取1.8 MPa；q為載荷集度，取376 kN/m2。

通過計算可得：RH1=5 089.9 kN/m。

支架工作阻力公式如下：式中：P為支架工作阻力，kN；b為支架中心距，取1.5 m。

代入數(shù)據(jù)可得：P=7634.8 kN。

2）頂板周期來壓時，支架延米支護(hù)阻力RH2如下：

式中：L為周期來壓步距，按18 m計算。

代入有關(guān)數(shù)據(jù)得：RH2=4779.2kN/m，P=7168.8kN。

2.2.3 砌體梁結(jié)構(gòu)分析法

按照砌體梁學(xué)說，工作面支架必須能夠提供足夠支撐力來避免頂板發(fā)生離層現(xiàn)象，還要讓頂板巖層形成“砌體梁結(jié)構(gòu)”對基本頂施加作用力，以平衡其部分載荷，防止發(fā)生工作面切頂及臺階下沉問題。

根據(jù)收集的地質(zhì)資料，裕興煤業(yè)15203工作面直接頂厚度為5.4～7.8 m，計算時，取直接頂厚度為7.8 m，頂板巖石容重為2.5 t/m3，重力加速度g可取9.8 m/s2，支架最大控頂距為5.095 m，周期來壓步距為18 m，tan（φ-θ）為巖塊間的內(nèi)摩擦角，一般為0.6。

支架工作強度計算公式如下：

式中：h為直接頂厚度，m；r為體積力，kN/m3；H為采高，m；φ為巖塊破斷角，（°）；L為周期來壓步距，m；R為控頂距，m；θ為巖塊間摩擦角，（°）；δ為巖塊回轉(zhuǎn)下沉量，取0.97 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重量，取10 764 kN。

故支架工作阻力依據(jù)下式計算可得：P=PtS=6759 kN。

2.3 考慮富裕系數(shù)修正支架工作阻力

考慮到15203工作面初采、過構(gòu)造、過空巷、大傾角及末采階段等特殊地質(zhì)條件及工作面開采強度大、推進(jìn)速度快時，支架管理可能不到位，因此進(jìn)行支架工作阻力計算時，應(yīng)當(dāng)考慮一定的富裕系數(shù)。

根據(jù)《礦山壓力與巖層控制》教材可知，液壓支架支撐效率Ks為0.9。則液壓支架實際所需工作阻力如下：

1）采高容重法：P1=P/Ks=6 291÷0.9=6 990 kN≈7 000 kN。

2）實測統(tǒng)計法：考慮堅硬頂板影響延米支護(hù)阻力計算支架工作阻力。頂板初次來壓時，P1=P/Ks=7 634.8÷0.9=8 483 kN≈8 500 kN；頂板周期來壓時，P2=P/Ks=7 168.8÷0.9=7 965 kN≈8 000 kN。

3）砌體梁結(jié)構(gòu)分析法：P1=P/Ks=6 759÷0.9=7 510 kN≈7 600 kN。

通過采用采高容重法、實測統(tǒng)計法和砌體梁結(jié)構(gòu)分析法等方法對裕興煤業(yè)15203綜采工作面支架工作阻力進(jìn)行理論計算。根據(jù)計算結(jié)果可得，15203綜采工作面所需支架工作阻力最低為7 635 kN。若考慮過構(gòu)造、過空巷、開采強度加大、推進(jìn)速度快及支架初撐力管理可能不到位導(dǎo)致支架阻力分布不均勻等異常情況，采用富余系數(shù)0.9對支架工作阻力進(jìn)行修正，則所需支架工作阻力最高為8 500 kN。

2.4 支架工作阻力模擬分析

2.4.1 數(shù)值模擬方案

采用FLAC3D的數(shù)值模擬方法，模擬15203工作面液壓支架工作阻力分別為0 kN、6 800 kN及8 000 kN時的工作面垂直應(yīng)力分布規(guī)律及垂直位移分布規(guī)律[2]。

2.4.2 數(shù)值模擬結(jié)果

1）15203工作面垂直應(yīng)力分布規(guī)律：由模擬結(jié)果可得，工作阻力為6 800 kN時，端頭垂直應(yīng)力最高為17.31 MPa，除端頭外，工作面垂直應(yīng)力最高為14.64 MPa，最低為8.044 MPa；工作阻力為8 000 kN時，端頭垂直應(yīng)力最高為17.32 MPa，除端頭外，工作面垂直應(yīng)力最高為14.71 MPa，最低為8.079 MPa。由此可得，工作面端頭及中間位置為應(yīng)力集中部位，在實際開采過程中應(yīng)注意加強支護(hù)，做好頂板管理工作。

2）15203工作面垂直位移分布規(guī)律：由模擬結(jié)果可得，當(dāng)工作阻力由0 kN增加到6 800 kN時，最大垂直位移由0.65 m減小到0.47 m，減小幅度為27.7%；當(dāng)工作阻力由6 800 kN增加到8 000 kN時，最大垂直位移由0.47 m減小到0.30 m，減小幅度為36.2%。當(dāng)支架工作阻力為6 800 kN時，工作面部分區(qū)域垂直位移較大，不利于頂板的管理；當(dāng)支架工作阻力為8 000 kN時，工作面垂直位移相對較小，基本上處于可控范圍內(nèi)。

根據(jù)理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果，綜合判定15203綜采工作面支架工作阻力不宜小于8 000 kN。

3 結(jié)論

1）首先明確了支架工作阻力理論計算初步結(jié)果加影響因素修正，然后用數(shù)值模擬計算和實測數(shù)據(jù)論證綜合判定得出阻力數(shù)值的方法思路。

2）15203工作面長度為280 m，結(jié)合埋深影響因素，確定15203綜采工作面支架工作阻力為8 500 kN。工作面現(xiàn)有ZZ6800/20.5/45型支撐掩護(hù)式液壓支架不能滿足工作面的頂板管理要求。

3）工作面在回采過程中可能遇到特殊地質(zhì)條件區(qū)域，綜合現(xiàn)場支架操作及管理不到位的影響因素，建議埋深在400 m以下區(qū)域布置工作面長度不宜超過200 m，液壓支架工作阻力不低于8 000 kN。