葛铺矿14－1103综采面老顶来压步距预测及实践

王金龙

（山西焦煤集团投资有限公司 正利煤业，山西 吕梁030053）

1 工作面概况

14－1103综采工作面为正利煤业葛铺煤矿一采区综采工作面，位于14－1101综采工作面以西，一采区轨道上山以南，南邻矿界，东西皆为未开采的实体煤，工作面煤层标高为642.8～717.7m，低于奥灰水静止水位标高，属于带压开采。14－1103工作面煤层整体呈单斜构造，走向近南北，倾向东，倾角6°～10°，平均倾角8°，工作面走向长度2212.7m，倾斜长度180m，煤层厚度平均为3.04m。在工作面的回采区域范围内，煤层沿走向存在波浪起伏变化，煤层顶底板多为砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩或泥岩，顶板岩石较完整，煤层易片帮，顶板易冒落。煤层综合柱状见图1。

工作面支护情况：本工作面选用支撑掩护式电液控液压支架，工作面切眼长180m，工作面开采之初布置130台支架：其中轨道顺槽布置8台ZTC10000／18／38型超前支架，工作面布置6架ZZ6000／18／38D型过渡支架，115架ZZ6000／18／38D型中间架，1组 ZT12000／18／38型过渡支架，胶带顺槽布置8架ZTC10000／18／38型超前支架。

图1 煤层综合柱状

2 老顶力学模型建立

在煤炭开采过程中，采场直接顶随着工作面的推进发生冒落，老顶逐渐悬空并在其上覆岩层的载重作用下发生弯曲变形。当工作面的推进距离达到老顶的极限时，老顶岩梁发生断裂。老顶梁式断裂，可采用材料力学方法求得。

老顶在初次垮落时，老顶岩梁两端都固支在煤壁中，相当于固支梁，其受力分析见图2。

图2 岩梁上任意点的应力分析

3 老顶垮落时极限跨距力学分析

3.1 老顶初次垮落极限跨距

已知梁内任意点的正应力б为：

式中：M为该点所在端面的弯矩；y为该点离端面中性轴的距离；JZ为对称中性轴的端面矩。

当бmax＝RT时，即岩层在该处的正应力达到该处的抗拉强度极限，岩层将在该处拉裂。为此，这种梁断裂时的极限跨度为：

固定梁，考虑弯矩、正应力。

若以最大剪应力作为岩层断裂依据，最大剪切力发生在梁的两端，。因此，最大剪切应力

当（τxy）max达到极限强度Rs时，形成的极限垮落距为：

固定梁，考虑剪切破坏

当бmax＝Rr时，梁达到极限跨距LlT：

简支梁，考虑弯矩、正应力

显然，在相同条件下，由简支梁计算所得的极限跨距LlT要比由固定梁计算所得的小。由于弯矩形成的极限垮落距LlT要比剪切应力形成的极限跨距LlS小，因此常常按弯矩来计算极限跨距。

3.2 老顶周期来压悬臂梁式断裂时的极限跨距

已有的研究中，对于老顶的周期来压，老顶岩梁一端固支在煤壁中，而另一端通常已经发生断裂，处于悬空状态，故老顶周期来压步距常常是按照悬臂梁式折断来确定。

3.3 14－1103综采工作面顶板来压步距推算

老顶在初次垮落时，老顶岩梁两端都固支在煤壁中，相当于固支梁，根据材料力学，采用两端固支固定梁，考虑弯矩产生的正应力使得老顶拉伸破坏，对采场初次来压步距的计算结果为

而老顶周期来压时，老顶岩梁一端固支，另一端大多悬空，采用一端固支悬臂梁，考虑弯矩产生的正应力使得老顶拉伸破坏，对采场周期来压步距的计算结果为因此：

14－1103工作面顶板岩层岩性多为砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩或泥岩，其顶板岩层情况见图1。根据14－1103综采工作面顶板岩性，其老顶厚度h＝5.15m。由关键层理论可知：老顶载荷约等于其自身载重与其控制范围内的岩层载重之和，根据工作面顶板情况可知老顶上方厚度为4.71m的泥岩在其控制范围内，取岩层平均体积力为：γ＝0.025MPa，则老顶载荷为q＝0.025×（5.15＋4.17）＝0.24MPa；RT＝4MPa，代入式（1－6）可估算14－1103工作面初次来压步距为29.73m，由式（1－7）可推算14－1103综采工作面周期来压步距12.80m。

4 现场实践

4.1 初次来压观测

通过现场观察，从2月5号的夜班开始，工作面从40＃架至70＃煤壁开始出现严重片帮，片帮高度1～1.5m左右，6＃夜班40＃架至机尾段工作面煤壁出现严重片帮、滚帮，滚帮煤高度1.5m以上。通过对支架压力表数字的观察，支架压力读数增大，超过前期观测数据，工作面平均压力在25MPa以上，采空区听到顶板垮塌的声音。

从2月7日夜班开始，工作面中部架段立柱安全阀出现开启，支架压力平均在30MPa以上。到早上交接班时，工作面从50＃支架到机尾段支架立柱安全阀多出现开启、卸液，且多呈现喷雾状，支架的平均压力在32MPa左右，支架最大压力达到35MPa；同时工作面出现不同程度的煤壁片帮，其中70＃号支架左右煤壁片帮严重；在90＃～100＃支架段，支架前梁顶板出现脱层，工作面煤壁片帮段响声大，采空区无大量涌水。

7日夜班开始生产过程中工作面支架压力明显比接班时降低，且煤壁的片帮程度开始降低。通过观察，采空区顶板除机尾和机头几个架未垮落外，其他均已垮落严实。截止7日早班接班，工作面机头推进24.8m，机尾推进至30.9m，平均推进27.9m，共计回采35刀。

通过现场观察，结合工作面矿压显现情况，确定工作面老顶于2月7日夜班初次来压，老顶的初次来压步距约为28m，初次来压持续时间3天，平均压力为32MPa，最大压力为35MPa。

4.2 技术措施

根据计算结果与现场观测，在工作面周期来压时，提前做好准备：

（1）提前合理增加支架工数量，支架工要紧跟采煤机前滚筒拉架，采取隔一架拉一架。

（2）采煤机司机要严格控制好采煤机的割煤速度，根据工作面顶板及煤壁情况，及时的调整采煤机的割煤速度；必须控制好工作面顶底板，沿顶割煤，严禁留顶煤。

（3）充分发挥护帮板的作用，提前收回护帮板及滞后采煤机打出护帮板的次数，护帮板必须紧贴煤壁，采煤机滚筒割过煤后，要追机作业打出护帮板。

（4）采煤机割煤作业时只准超前前滚筒3架将护帮板收回，煤壁片帮严重处只准超前一架收回护帮板。

（5）采煤机割通煤壁返机推溜之后，及时移架控顶。在顶板破碎段必须带压擦顶移架。

（6）加强工作面工程质量管理，确保工作面煤壁、支架和刮板输送机都保持直线，防止压力局部集中造成片帮、冒顶。

（7）对液压系统进行检修和维护，工作面液压支架要保证达到规定的初撑力，支架不漏液、不窜液、不卸液自降，支架升起后要升平、升紧。保证老顶来压期间，不出现故障，实现快速推进。

（8）加强工作面上、下端头管理，严格按照作业规程的规定进行上下端头的维护。

（9）上下顺槽超前支护，在周期来压前期密切关注支护情况，超前维护要有专人负责，作业时，二人配合作业，其中必须有一名经验的老工人负责安全工作。作业前，必须进行敲帮问顶，确认无问题后方可作业。

5 结语

本文通过建立老顶力学模型，对14－1103综采工作面老顶初次来压步距和周期来压步距进行了分析和计算，主要得出了如下结论。

1）通过力学分析，认为老顶初次垮落和老顶周期性垮落的主要区别在于：老顶初次垮落时，老顶岩梁两端均固支在煤壁中，老顶的初次垮落应采用两端固支梁进行分析；老顶周期来压时，老顶岩梁一端固支在煤壁中，而另一端一般处于悬空状态，故应采用一端固支另一端简支梁进行分析。

2）通过力学求解，利用老顶初次来压步距和周期来压步距计算公式，对正利煤业14－1103综采工作面老顶初次来压步距和周期来压步距进行计算，计算结果表明：14－1103综采工作面老顶初次来压步距约为29.73m，老顶周期来压步距约为12.13m。

3）对14－1103综采工作面矿压现象进行现场观测和理论计算相结合的方法，得出老顶初次来压步距和周期来压步距，对顶板管理有指导意义。

〔1〕王作棠，钱鸣高 .老顶初次来压步距的计算预测法〔J〕.中国矿业大学学报，1989，18（2）：9－17.

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