淺埋煤層工作面頂板結構及支架載荷研究

武月江

（西山煤電集團有限責任公司西曲礦， 山西 太原 030053）

引言

近年來，隨著采高的不斷增加，使得巷道工作面的支護成本不斷加大，由于大采高工作面的初次來壓強度較大，使得支架、頂板等發生破壞，嚴重限制著礦井的正常生產，同時由于工作面來壓強度較大，使得巷道的維護成本大幅度增加，所以如何控制大采高煤層頂板的穩定性是礦井急需研究的目標[1-4]。本文利用數值模擬軟件對西曲礦18402 工作面巷道頂板的結構及支架的載荷進行分析，為大采高綜采工作面礦壓的控制及頂板支架選型提供一定的參考。

1 礦井概況及數值模擬研究

西曲礦位于山西太原西山煤田西北邊緣，礦井面積為15.7 km2，設計生產能力3.00 Mt/年。可采煤層分別為太原組8 號煤、9 號煤，煤層總厚度18.78 m，煤種分貧煤、瘦煤和貧瘦煤。西曲礦18402 工作面走向長度約為3250 m，主采煤層為8 號煤層，煤層傾角1°～3°，平均傾角1.6°，煤層平均厚度3.9 m，工作面采用ZY12000/25.5/55 掩護式液壓支架，支架的額定工作阻力為12000 kN，初撐力7912 kN，支架移架步距為865 mm，支護強度為1.22～1.3 MPa，支護范圍為2550～5500 mm。根據現場實測發現，工作面的周期來壓步距為10～14 m，其持續平均長度為2.2 m，在非來壓期間支架的平均工作阻力為6860 kN，在來壓期間內，工作面的支架平均支護阻力為10900 kN，動載系數為1.6。工作面支架工作阻力變化如圖1 所示。

圖1 工作面支架工作阻力變化圖

為了對大采高綜采面的頂板結構進行研究，本文選定UDEC 數值模擬軟件進行研究，首先進行模型的建立，根據實際地質資料建立模型，模型長度為400 m，在模型的兩端分別設置100 m 的邊界柱，中間部分為開挖部。固定模型兩端的約束，模型上端為自由端，底部限制其X、Y 向的位移，完成模型初步建立后對模型進行物理參數設定，完成設定后為模擬不同采高下的頂板垮落規律，所以本文選定采高為5 m 和7 m。模擬結果如圖2 所示。

圖2 模擬結果圖

如圖2 可以看出，當采高為5 m 時，此時隨著工作面的推進，頂板直接頂發生冒落，工作面推進至63 m時，此時的基本頂斷裂，工作面受到初次來壓，初次來壓的步距為63 m，直接頂的厚度為12 m，基本頂在初次來壓后形成兩組關鍵層，在初次來壓階段上組關鍵層未發生斷裂，而下組關鍵層斷裂。由于直接頂的垮落無法完全填充采空區，所以此時的關鍵塊發生滑落，臺階出現下沉，在工作面的支架左上端的關鍵層形成鉸接，鉸接點與頂板的距離為23.7 m，而在下組關鍵層位置形成下位斜臺階巖梁。當工作面推進至81 m 時，此時的工作面經歷第一次周期來壓，第一次周期來壓臺階的下沉量較初次來壓有了一定的增大，在設計時應當提供一定的支護阻力，保證臺階下沉量屬于可控狀態。當采高為7 m 時，此時隨著工作面的推進，頂板直接頂同樣發生冒落，工作面推進至65 m 時，此時的基本頂斷裂，工作面受到初次來壓，基本頂厚度為18 m，初次來壓的步距為65 m，鉸接點形成的位置與采高5 m 時相差不大，鉸接點與頂板的距離為28.7 m。當工作面推進至82 m時，此時的工作面經歷第一次周期來壓。從以上分析可以看出，隨著采高的增大，巷道直接頂的厚度增加，同時關鍵層形成的鉸接點位置與頂板位置的距離增加。

2 現場實測研究

對支架阻力進行研究，隨著采高的不斷增加，此時支架阻力中等效直接頂的載荷所占比例持續增大，此時基本頂的阻力在工作阻力中所占比例有所降低，在來壓期間直接頂的自重與基本頂載荷在額定阻力中所占的比例分別為60%～65%和35%～40%。對不同采高下的實測工作阻力和理論計算工作阻力進行對比分析，如圖3 所示。

對大采高綜采工作面的工作阻力進行計算，首先根據實際地質情況可知，西曲礦18402 工作面的基本頂關鍵層厚度為10 m，巖層的容重為25 kN/m3，根據計算周期來壓步距為12m，載荷層的厚度為10m，工作面支架選型為ZY12000/25.5/55，液壓支架的寬度為1.75 m，支架的控頂距離為5 m，巖層斷裂破碎角為65°，計算可得工作面的支架工作阻力為10620 kN。根據實測值與檢測值進行對比分析發現兩者的誤差極小，整體誤差不超過5%，所以高位斜臺階巖梁結構能夠有效計算支架的工作阻力。同時根據圖3 可以看出，隨著采高的增大，巷道的實測支架阻力呈現逐步增大的趨勢，但在采高5～6 m 時工作面支架實測阻力大致相等。

圖3 不同采高下的實測工作阻力和理論計算工作阻力對比

當煤層埋深較淺時，此時上覆巖層的厚度較大，而松散載荷層的厚度正好相反，所以形成雙關鍵層的結構，雙關鍵層的穩定性直接影響著來壓強度及來壓步距，對等效直接頂的厚度進行研究，利用模擬軟件對不同采高下的等效直接頂厚度進行分析，并繪制不同采高下的等效直接頂變化趨勢如圖4所示。

圖4 不同采高下的等效直接頂變化趨勢圖

從圖4 可以看出，隨著采高的增大，巷道等效直接頂的厚度逐步增大，但增長的趨勢逐步下降，當采高為4 m 時，此時的等效直接頂的厚度為10 m，等效直接頂為采高的2.5 倍；當采高為5 m 時，此時的等效直接頂的厚度為15 m，等效直接頂為采高的3倍；當采高為6 m 時，此時的等效直接頂的厚度為21 m，等效直接頂為采高的3.5 倍；當采高為7 m時，此時的等效直接頂的厚度為26 m，等效直接頂為采高的3.7 倍。

3 結論

1）根據數值模擬研究，發現基本頂在初次來壓后形成兩組關鍵層，上組關鍵層未發生斷裂，而下組關鍵層斷裂，在工作面的支架左上端的關鍵層形成鉸接點，且在下組關鍵層位置形成下位斜臺階巖梁。

2）根據支架阻力實測及理論計算數據進行對比分析，發現兩者的誤差極小，整體誤差不超過5%。隨著采高的增大，巷道等效直接頂的厚度逐步增大，但增長的趨勢逐步下降。