大倾角大采高综采工作面支架工作阻力分布特征研究＊

曲秋扬 毛德兵

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013）

近年来，随着回采工艺和开采装备的发展，大倾角大采高工作面逐渐增多。其中，支架的稳定性成为实现该类工作面安全高效回采的关键，而合理确定支架的工作阻力是实现支架稳定性的基础。

随着工作面倾角的加大，尤其当倾角超过自然安息角 （一般认为35°）时，顶板垮落矸石向工作面下端头滚滑，形成采空区下部充实、中部部分充填、上部悬顶的局面。采空区充填的不一致性使得工作面支架工作阻力承受动静载荷大小不同，沿工作面方向支架工作阻力分布具有异于缓倾斜工作面的特点。

1 工程背景

花山煤矿4238工作面为川煤集团攀枝花分公司首个大倾角大采高工作面。该工作面平均埋深530m，平均走向长度646m，平均倾斜长120m，平均倾角为39.5°，平均煤厚4.2 m，煤层赋存较为稳定。煤层基本顶为细砂岩，厚度为9.2m，直接顶为泥质粉砂岩、泥质粉砂岩与粉砂岩互层，厚度为14m，直接底为泥质粉砂岩和煤线层。

2 支架工作阻力分布特征

2.1 顶板破断特征分析

在弹性力学中，薄板实际上是指中等厚度的板，其厚度t与板面最小尺寸min （a，b）之比大约在1／100～1／5之间。研究表明，当岩板t／b≤1／3时 （t为岩板的厚度，b为岩板短边长度，a 为岩板长边长度），使用薄板理论方法计算。根据花山煤矿实际开采条件，直接顶随采随冒，基本顶满足薄板理论使用条件。

对于顶板在初次来压前，顶板的约束条件为四边固支。对于四边支承的板，当其有两个方向的跨度之比在1／2≤Lx／Ly≤2时，应该考虑顶板走向和倾向的载荷，这样的板通常称为双向板。根据工作面条件，将其作为双向板考虑，即考虑走向破断特征和倾向破断特征。

由于大倾角的存在，将基本顶作为四边固支的斜板模型，利用弹性力学相关理论进行计算，分析顶板初次垮落特征，沿工作面走向方向有：

工作面顶板沿倾斜方向发生破断的范围有：

式中：L——基本顶初次来压垮落步距，m；

H ——对基本顶岩层变形作用的岩层厚度，取530m；

h1——基本顶岩层的厚度，取9.2m；

σt——基本顶岩层的极限抗拉强度，取4.8 MPa；

γ——基本顶岩层的容重，取27.2×104N／m3；

l10——岩板发生初次破断时，断裂位置距下端头的距离，m；

l20——岩板发生初次破断时，断裂位置距上端头的距离，m；

A——工作面长度，取120m；

k——双向板破断影响系数，与板厚宽比有关。

将各数据代入式 （1）和式 （2），计算得初次来压垮落步距L 为45.05m，l10为29.32m，l20为21.48 m。即沿工作面倾斜方向在距下端头29.32m和距离上端头21.48m之间顶板岩层会发生断裂。

根据理论分析可知，大倾角大采高工作面顶板破断长度为69.2m （破断部分的长度），仅占工作面全长的57.7%。对于工作面破断范围内的支架，将承受直接顶的静载荷及老顶回转造成的动载荷，而两端则以静载荷为主，因此，支架工作阻力的分布特征应具有 “中间大、两端小”的特点。

2.2 工作阻力分布特征分析

根据大倾角大采高工作面顶板破断特征，在顶板垮落范围内，支架同时承受支架上方直接顶静载荷与老顶破断回转作用在支架上的动载荷，而在工作面上下两端头由于顶板未发生垮落，则下方支架以承受静载荷为主，动载荷作用较小。

工作面顶板发生垮落的范围内，由于下部采空区充实，中上部充填不实，因此老顶回转空间不一致致使动载荷大小不一。

工作面上部范围内，基本顶未发生破断垮落，但由于临近基本顶垮落，因此与相邻上覆岩层发生错动，造成该段基本顶及上覆岩层以裂隙带形式存在，而不能形成承载机构，因此该段覆岩主要以静载荷的形式作用在下方支架上，且覆岩厚度与中部垮落带厚度相差不大。该处支架工作阻力的确定：

工作面中部，基本顶发生破断，支架承受直接顶静载荷和老顶破断回转动载荷，因此动载系数较两端大，该处支架工作阻力的确定：

工作面下部范围内，采空区充实，基本顶破断回转空间较小，动载荷较小，该段支架以承受静载荷（同工作面上部类似）为主，动载系数较小，该处支架工作阻力的确定：

式中：P上、P中、P下——支架工作阻力，kN；

h上、h中、h下——工作面垮落带高度，m；

“一点活计也没有，我穿这一件短衫，再没有替换的，连买几尺布的钱也攒不下，十天一交费用，那就是一块五角。又老，眼睛又花，缝得也慢，从没人领我到家里去缝。一个月的饭钱还是欠着，我住得年头多了！若是新来，那就非被赶出去不可。”她走一条横道又说：“新来的一个张婆，她有病都被赶走了。”

γ——顶板容重，取2.72×l04N／m3；

l——顶梁长度，取4.5m；

b——顶梁宽度，取1.75m；kd上、kd中、kd下——动载系数，分别为1.5，1.7，1.4；

α——工作面倾角，取39.5°。

根据式 （3）～式 （5）可知，大倾角工作面支架的工作阻力与其顶板垮落高度成正相关，为研究该类条件下工作面顶板垮落高度，利用三维数值模拟软件建立三维模型，并开挖至见方，使其顶板充分破断。模拟结果说明，工作面下端头顶板以拉伸破坏为主，工作面中部和上部顶板以剪切破坏为主，沿工作面方向顶板垮落高度为25m。

因此，结合数值模拟结果，利用理论公式进行计算，可得大倾角工作面各段支架的工作阻力值：P上=6185.1kN，P中=7009.7kN，P下=5772.7 kN。

3 工程实践

花山煤矿4238工作面依据上述工作阻力确定方法，选取工作面中部最大工作阻力，并赋予1.2的安全系数，确定支架的工作阻力为8600kN，选ZY8600／26／56液压支架，支架初撑力6414kN。

利用矿压监测系统对全工作面所有支架进行实时监测，分析倾斜方向支架工作阻力的分布特征及支架适应性。工作面测站具体布置见图1。

图1 矿压观测站布置示意图

对工作面初次来压时所有支架的观测数据进行整理统计，可得到沿工作面方向分区特征及各区段支架的平均工作阻力，具体情况见图2。

图2 大倾角工作面初次来压区域性划分图

由图2可以看出：

（1）工作面支架工作阻力具有明显分区特性，而且具有 “中间大、两端小”的特点。最大平均来压强度为7143.4kN，同理论计算的7009.7kN（P中）较为接近。下端头支架工作阻力大于上端头支架工作阻力，同理论计算出入较大，这是由于下端头排头架工作面支架处于过渡段，倾角变小，顶板垂直作用于支架工作阻力增加，出现下端头平均来压强度增大的特点。

（2）工作面下部区段分布范围为1＃～23＃支架，长度范围为40.25m，大于理论计算的顶板未破断范围29.38m，说明其他区域被矸石充实，所以支架来压强度小；上部分布范围为52＃～67＃支架，长度范围为26.25m，与理论计算值21.42m相差4.83m，较为接近。

（3）支架来压最大工作阻力在8500kN 左右，说明确定支架额定工作阻力8600kN 较为合理，能够满足工作面安全生产需求。工作面支架阻力确定合理，说明对支架分布特征研究的正确性，同时验证了数值模拟的可靠性。

4 结论

（1）利用弹性力学薄板理论分析了大倾角大采高工作面顶板破断规律，得到顶部分别距离下端头29.32m、21.48m 发生破断，从理论上解释了工作面支架工作阻力呈现 “中间大、两端小”的特点。

（2）理论分析大倾角工作面两端顶板未破断区和中部顶板破断区支架工作阻力分布特征，利用数值模拟分析大倾角大采高工作面顶板垮落高度，并利用估算法确定大倾角大采高工作面最大工作阻力值为7009.7kN。

（3）通过现场实测数据分析，得到工作面支架工作阻力具有明显分区特点，且具有 “中间大、两端小”的特点，下端头支架较大是由于工作面处于过渡段，工作面倾角变小，顶板垂直作用力增大；分区范围同理论计算较为接近；支架工作阻力确定合理，适应性较好，且实测平均来压强度与理论计算十分接近，说明结合数值模拟进行理论计算确定大倾角大采高工作面支架的工作阻力具有可靠性。

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