羊場(chǎng)灣煤礦高強(qiáng)度開(kāi)采工作面支架工作阻力確定方法

馮濤

（國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 羊場(chǎng)灣煤礦，寧夏 銀川 751400）

0 引 言

在我國(guó)西部地區(qū)賦存有大量的優(yōu)質(zhì)煤炭資源，為實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)質(zhì)煤炭資源的高產(chǎn)高效回收，高強(qiáng)度開(kāi)采工作面在西部地區(qū)迅速增多，但由于對(duì)近距離煤層開(kāi)采時(shí)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論研究不足，導(dǎo)致西部礦區(qū)工作面大范圍切頂事故頻繁發(fā)生。因此，近距離煤層開(kāi)采所特有的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律逐漸引起我國(guó)學(xué)者的重視，并對(duì)其產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了較為深入的研究。

文獻(xiàn)[1-2]對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為采場(chǎng)來(lái)壓時(shí)支架受動(dòng)載荷影響明顯，動(dòng)載系數(shù)大；基巖全厚切落，破斷角大，難以形成結(jié)構(gòu)，工作面普遍有臺(tái)階下沉現(xiàn)象。文獻(xiàn)[3]將煤層覆巖分為厚硬單一關(guān)鍵層、復(fù)合單一關(guān)鍵層、上煤層已采單一關(guān)鍵層和多層關(guān)鍵層4 種類型，認(rèn)為單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)類型的覆巖受采動(dòng)影響后工作面有臺(tái)階下沉的危險(xiǎn)。文獻(xiàn)[4-6]提出了組合關(guān)鍵層理論，認(rèn)為采場(chǎng)覆巖為組合關(guān)鍵層斷裂失穩(wěn)類型，組合關(guān)鍵層斷裂巖柱自身不能取得三鉸拱式平衡。文獻(xiàn)[7-9]研究了厚硬單一關(guān)鍵層覆巖類型的采場(chǎng)，提出了周期來(lái)壓期間老頂?shù)摹岸唐鲶w梁”和“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)模型，從控制結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)和回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的角度給出了支架合理工作阻力的確定方法。文獻(xiàn)[10-11]利用斷裂力學(xué)理論給出了控制老頂斷裂失穩(wěn)的支架工作阻力確定方法。

過(guò)去對(duì)于采場(chǎng)的研究主要集中在覆巖關(guān)鍵層的破斷形式、極限跨距及斷裂巖塊的穩(wěn)定性方面，對(duì)于支架工作阻力的確定方法研究較少，且一致沿用支架工作阻力確定的靜力學(xué)方法，忽略頂板來(lái)壓時(shí)支架受動(dòng)載荷影響明顯的礦壓特點(diǎn)，本文從動(dòng)力學(xué)分析的角度，研究采場(chǎng)支架工作阻力的確定方法。

1 概 況

羊場(chǎng)灣煤礦12 采區(qū)一煤首采工作面為120101工作面，煤厚約1.85 m，屬中厚煤層，單軸抗壓強(qiáng)度10.3 MPa，抗拉強(qiáng)度1.31 MPa，工作面布置情況如圖1 所示，面長(zhǎng)195 m，推進(jìn)長(zhǎng)度2 784 m，頂板巖性以粗粒砂巖、含礫砂巖為主，局部可見(jiàn)泥巖、粉砂巖，砂巖為泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，松散、易碎，局部為硅質(zhì)膠結(jié)，直接頂抗壓強(qiáng)度15.3 MPa。12 采區(qū)共2 層煤，間距13.7~24.9 m，二煤已全部回采完畢，一煤煤層及頂?shù)装迨懿蓜?dòng)影響較大，巖層破碎。

圖1 羊場(chǎng)灣煤礦120101 工作面布置情況Fig.1 Layout of No.120101 Face in Yangchangwan Mine

2 支架工作阻力的確定

2.1 關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)過(guò)程

關(guān)鍵層破斷后巖塊的塊度大，不滿足形成鉸接平衡結(jié)構(gòu)的條件，巖塊切落后形成“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵塊在工作面推進(jìn)至斷裂線下方之前就已觸矸，且隨工作面的推進(jìn)最終在架后切落。這種情況下支架只承受關(guān)鍵塊A 回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的變形壓力和直接頂松脫體的重力，支架阻力的大小同直接頂?shù)钠茐某潭扔嘘P(guān)，工作面推進(jìn)過(guò)程中，關(guān)鍵塊A 的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖2 所示。

圖2 臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure model of step rock beam

2.2 關(guān)鍵塊穩(wěn)定性分析

工作面快速推進(jìn)時(shí)，根據(jù)控頂距的不同，關(guān)鍵層破斷巖塊有2 種失穩(wěn)形式。控頂距大時(shí)，關(guān)鍵塊以自由落體式失穩(wěn)，直接沖擊工作面支架，巖塊滑落過(guò)程中，假設(shè)直接頂為彈性體，沖擊過(guò)程中忽略熱能和聲能損失，則巖塊A 完全壓在直接頂之上速度再次變?yōu)榱銜r(shí)，其重力做的功完全轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯禹數(shù)膹椥宰冃文?，根?jù)機(jī)械能守恒原理可得：

式中：Q1為直接頂及載荷層的重力，kN；△h 為直接頂同老頂巖塊的離層量，m；△d 為直接頂?shù)淖冃瘟浚琺；Fd為直接頂受到的沖擊力，kN。

根據(jù)胡克定律，沖擊壓力Fd可由下式求得：

式中：E 為直接頂彈性模量，GPa；Ls為控頂距，m。

當(dāng)關(guān)鍵塊A 的重力以靜力的形式作用在直接頂上時(shí)，直接頂產(chǎn)生的變形量可由下式求得：

式中：△st為直接頂在靜力作用下的變形量，m。聯(lián)立式（1）、（2）、（3） 可以求得，直接頂受到的最大沖擊力為：

式中：Kd為關(guān)鍵塊A 自由落體式失穩(wěn)時(shí)的動(dòng)載系數(shù)。

動(dòng)載系數(shù)隨老頂同直接頂之間離層量的變化趨勢(shì)（圖3）。可以看出，隨著離層量的增大，動(dòng)載系數(shù)不斷增大，因此要保持足夠的支架初撐力，防止直接頂同老頂?shù)碾x層。當(dāng)離層量為0 時(shí)，動(dòng)載系數(shù)等于2，實(shí)際上直接頂并不是理想的彈性體，當(dāng)關(guān)鍵巖塊作用在其上時(shí)，直接頂會(huì)發(fā)生塑形變形，緩沖巖塊的沖擊力，即支架所受沖擊壓力的動(dòng)載系數(shù)介于1 和2之間。在進(jìn)行支架選型時(shí)，可根據(jù)工作面直接頂?shù)暮穸群土W(xué)性質(zhì)，適當(dāng)選取合理的動(dòng)載系數(shù)。

圖3 動(dòng)載系數(shù)隨離層量的變化趨勢(shì)Fig.3 Trend of dynamic load coefficient with delamination

若采場(chǎng)控頂距較小時(shí)，關(guān)鍵塊容易發(fā)生回旋式失穩(wěn)，根據(jù)上述分析可知巖塊正向回轉(zhuǎn)沖擊采空區(qū)矸石時(shí)，支架受到的動(dòng)載荷影響不明顯，因此，按照巖塊反向回轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生失穩(wěn)計(jì)算支架的工作阻力，有利于采場(chǎng)的安全生產(chǎn)。關(guān)鍵塊反向回轉(zhuǎn)失穩(wěn)時(shí)幾何關(guān)系如圖4 所示，A 巖塊以觸矸點(diǎn)O 為中心運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)至水平位置時(shí)巖塊重心在豎直方向上的位移根據(jù)幾何關(guān)系求得：

圖4 關(guān)鍵塊回旋失穩(wěn)前后幾何關(guān)系Fig.4 Geometric relation of key block before and after gyroscopic instability

回轉(zhuǎn)至水平位置后，關(guān)鍵塊前鉸接點(diǎn)的最大下沉量為：

將△1用△2表示，則：

將式（6） 帶入式（5），另

可得到下式：

聯(lián)立式（2）、（3）、（8） 可得：

由于系數(shù)n 小于1，若直接頂和老頂之間出現(xiàn)離層，動(dòng)載系數(shù)會(huì)迅速增大，若△h 等于0，則動(dòng)載系數(shù)只與n 有關(guān)，系數(shù)n 隨回轉(zhuǎn)角θ2的增大而減小，如圖5 中曲線所示，但n 的值隨回轉(zhuǎn)角度變化的幅度很小，為保證工作面的安全性，當(dāng)關(guān)鍵塊出現(xiàn)回旋式失穩(wěn)時(shí)，n 的值可以統(tǒng)一選取0.6。

圖5 系數(shù)n 同反向回轉(zhuǎn)角的關(guān)系Fig.5 Relationship between coefficient n and reverse rotation angle

3 支架阻力的工作面長(zhǎng)度效應(yīng)

工作面支架適應(yīng)性和采場(chǎng)的安全性是工作面傾斜長(zhǎng)度選取的重要影響因素，合理傾斜長(zhǎng)度應(yīng)使一定開(kāi)采技術(shù)條件下采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度的等級(jí)最低，即實(shí)現(xiàn)低阻力、短時(shí)間來(lái)壓。老頂四周斷裂后，由于支撐條件的轉(zhuǎn)變，其回轉(zhuǎn)角度迅速增加，若工作面長(zhǎng)度較小，四周簡(jiǎn)支老頂巖層的承載能力大于隨斷巖層載荷，則老頂中間斷裂線滯后四周斷裂線一定時(shí)間出現(xiàn)，如圖6（a） 所示，此時(shí)由于四周煤柱、煤體的支撐作用，支架只承受變形載荷，工作阻力、活柱下縮量均較小，不會(huì)出現(xiàn)因自由行程過(guò)小而壓架的現(xiàn)象；頂板之上的隨動(dòng)載荷層厚度隨著工作面長(zhǎng)度的增加而增大，若增加工作面傾斜長(zhǎng)度，老頂四周斷裂后，承載能力低于隨動(dòng)巖層載荷，則老頂迅速發(fā)生第二次斷裂，中間斷裂線產(chǎn)生，工作面開(kāi)始來(lái)壓，如圖6（b） 所示。中間斷裂線產(chǎn)生初期，在支架支撐作用下，斷裂巖塊回轉(zhuǎn)角度小，能保持平衡，支架承受的是直接頂、部分老頂和隨動(dòng)巖層的重力，隨工作面推進(jìn)平衡結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性，老頂斷裂巖塊及隨動(dòng)巖層的重力全部作用在支架上，支架由“給定變形”工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖o定載荷”工作狀態(tài)，支架阻力迅速升高。若工作面過(guò)長(zhǎng)，老頂中間斷裂線同四周斷裂線同時(shí)出現(xiàn)，則老頂斷裂巖塊回轉(zhuǎn)時(shí)間充足，下沉量大，工作面支架一直處于高工作阻力狀態(tài)，且工作面來(lái)壓持續(xù)距離大，因此，其四周斷裂線同中間斷裂線同時(shí)產(chǎn)生，老頂運(yùn)動(dòng)劇烈，這也是典型礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度高、支架受動(dòng)載沖擊明顯的原因。綜上，令隨動(dòng)載荷大小等于簡(jiǎn)支頂板極限承載能力的工作面長(zhǎng)度最為合理。

圖6 采場(chǎng)覆巖破斷形態(tài)Fig.6 Fracture form of overlying strata

4 工程應(yīng)用

工作面推進(jìn)過(guò)程中，覆巖中存在應(yīng)力水平較高的拱形承載區(qū)，即應(yīng)力殼，支架只承受殼內(nèi)破斷巖體的部分重量，工作阻力小，采場(chǎng)圍巖控制效果好。羊場(chǎng)灣煤礦120101 工作面支架額定工作阻力9 000 kN。由于該工作面為首采面將工作面長(zhǎng)度確定為195 m，后續(xù)工作面可根據(jù)本工作面的回采經(jīng)驗(yàn)增加工作面長(zhǎng)度，因此，依據(jù)120101 工作面頂?shù)装鍘r層特征建立3 個(gè)數(shù)值模型，工作面長(zhǎng)度分別為195、245 和295 m，數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同長(zhǎng)度工作面覆巖最大主應(yīng)力分布Fig.7 Maximum principal stress distribution of working face with different length

工作面長(zhǎng)195 m 時(shí)，覆巖中存在較為完整的應(yīng)力殼，L1范圍內(nèi)由于支架滑到，頂板斷裂冒落，圍巖控制效果差，出現(xiàn)小范圍應(yīng)力殼消失現(xiàn)象，但整體上工作面支架受力均勻，承受載荷處于0 ~ 1 MPa 范圍內(nèi)；工作面長(zhǎng)245 m 時(shí)，工作面中部上方L2范圍內(nèi)頂板基巖斷裂，應(yīng)力殼消失，支架載荷沿工作面傾向出現(xiàn)不均勻分布，中部載荷較大，兩端載荷較小，但載荷值處于0.8 ~ 1.6 MPa，因此，245 m 長(zhǎng)工作面配備額定工作阻力9 000 kN 支架可實(shí)現(xiàn)安全回采；工作面長(zhǎng)295 m 時(shí)覆巖中不再存在拱形應(yīng)力承載區(qū)，基巖整體斷裂，失去應(yīng)力殼的保護(hù)，工作面支架承受載荷增大，可達(dá)2.5~3 MPa，大于所選支架的額定支護(hù)強(qiáng)度，工作面安全得不到保證。綜上，12 采區(qū)工作面傾斜長(zhǎng)度選取在245 m以下是合理的。

5 結(jié) 論

（1） 分析了工作面快速推進(jìn)的情況下，根據(jù)支架控頂距的不同，關(guān)鍵塊出現(xiàn)2 種失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)形式，控頂距小時(shí)發(fā)生自由落體式失穩(wěn)，否則發(fā)生回旋式失穩(wěn)，分析了工作面板臺(tái)階下沉現(xiàn)象。

（2） 針對(duì)2 種失穩(wěn)模式，分別利用動(dòng)載荷法給出了支架所受最大沖擊作用力的確定方法，控頂距較小時(shí)，支架承擔(dān)的沖擊力是關(guān)鍵塊自由落體式失穩(wěn)時(shí)的五分之三，高速推進(jìn)的工作面適當(dāng)減小控頂距有利于頂板控制。

（3） 工作面長(zhǎng)度增加，作用于頂板之上的隨動(dòng)載荷增大，煤層開(kāi)采過(guò)程中，基本頂隨動(dòng)載荷大于簡(jiǎn)支頂板極限承載能力，使頂板四周和中間斷裂線同時(shí)出現(xiàn)，造成工作面來(lái)壓強(qiáng)度劇烈的主要原，采用數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證了羊場(chǎng)灣120101 工作面長(zhǎng)度195 m 是合理的。