浅谈综采放顶煤支架受力与顶板结构的关系

2015-12-28黄传贤刘亚孙建峰

科学中国人 2015年23期

关键词：综放受力顶板

黄传贤，刘亚，孙建峰

兖州煤业股份有限公司杨村煤矿

浅谈综采放顶煤支架受力与顶板结构的关系

黄传贤，刘亚，孙建峰

兖州煤业股份有限公司杨村煤矿

本文主要分析了综采放顶煤支架受力与顶板结构的关系，阐述了综放采场支架载荷的力学机理，针对综采方支架架型设计的实际情况，对设计方案提出了自己的观点，以供参考。以期通过本文的分析能实现对综放支架的设计和选型具有实际指导意义的效果。

顶板结构；支架受力；厚度

煤炭资源是我国的重要能源，长久以来是我国经济社会发展不可缺少的物资储备，目前我国的煤炭储量相对比较丰富，占世界储量的11.60%，总量为5.6万亿吨，其中探明储量为1万亿吨，我国不仅仅是产煤大国，同时也是煤炭消费大国。然而，高效和安全的煤炭开采方法一直是困扰我国煤炭企业的大难题。在我国煤层逐步开始使用和推广综采放顶煤技术的大前提下，解决厚煤层高效和安全等问题，将是这一技术高速发展的突破口，进行逐步完善，让其成为适应我国煤层开采的主要方法。“九五”期间，高效的综采放顶煤技术已成为我国重点攻关的课题，综放支架架型设计也属于攻关的重要内容。在综放支架设计上目前存在两种主流观点：一是顶板压力必须进行增大，认为放顶煤采出厚度偏大；二是认为由于放顶煤采场冒落矸石的厚度大，整个顶板的压力被缓冲掉了，压力随之变小了。在这个压力变大还是变小的问题上，已经成为综放支架设计和选型的重要问题，我们需要进行大量的现场调研和观测，从顶板运动的角度出来，来深度剖析这一问题。

1.顶板结构与压力的关系

放顶煤开采是一个高效、低成本、安全的煤层开采方法，在经过多年的实际开采和理论研究，已积累了大量的经验。这些成果较全面的反映了各类顶板在不同条件下的压力显现规律，为放顶煤开采技术奠定理论基础，推动放顶煤开采技术的健康稳定发展。虽然这些经验的积累，能较为全面的概括在不同顶板条件下的压力规律，但这些经验对于综放支架设计上，还不能成为完善可靠的理论和技术体系。本文通过在多年研究经验的基础上，针对支架设计和选型的需要，来对顶板结构与支架架型的关系进行论述。

1.1 顶板结构模型

目前大多数经验研究都认定，直接顶的厚度由于受到了放出率的控制,直接顶的上方会出现一个传递力的结构，如图1所示：当煤层覆盖的直接顶较薄、直接顶上方后岩层的情况，结构就会出现变异，直接顶内没有其他小结构的存在，所有作用力全部由支架承担，在采空区域填充不满的情况下，如果坚硬的老顶出现运动时，将会引起很大的冲击。

（图1）岩层参数与状态

根据公式：Mz=H+T-SA-G/K-1

其中，Mz——直接顶厚度；H——高度；T——顶煤厚度；G——残煤厚度；SA——老顶在触矸的沉降量。

一般情况下，SA=0.15～0.25h，顶煤采场，h=H+ηT，η为顶煤的放出率，顶板采场，SA=0.25h,形成G与回收量表的关系为η=1-G/ TKm，Km是顶煤垮落后的碎胀系数，K为矸石碎胀系数。K=1.2～1.4。举例某矿顶面碎胀系数为12.SA=0.h,KA=1.3,H=2m,那么直接顶的厚度就可以表示为：Mz=5.3+3.33T(η-0.2)。

1.2 一般结构下的支架与围岩的关系

这种结构下的支架载荷是由顶煤重量、直接顶和老顶间的接触力、以及部分或全部的直接顶作用力组成。可以表示由以下公式表示：

P——支架载荷B——顶煤重量，B=Tγt，γt为顶煤厚度，是煤容重。L——为直接顶作用力，在直接顶所占内存处于小结构状态时，L=eγz，在不存在小结构时，L=Mzγz。其中，e为未成供直接顶厚度的小结构，Mz为直接顶的全部厚度，γz为直接顶容重。如果出现采场直接顶厚度很大，那么在支护设计时，就要考虑到可择较小的Pc，甚至可使Pc 0。因为上部直接顶形成的小结构会承担出一部分顶板的作用力。另外，Pc的选择还与煤层的硬度有关，为了防止片帮，软煤层条件下可选择较大的Pc值。在一般情况下，结构下的采空区是属于充填较实的状态下的，采场内不会有太大的冲击载荷，支架受载都是静压为主，动载系数值则在1.0～1.6区间。

2.支架受力与顶板结构关系

通过一系列的数据分析，我们可以得出结论，综放面顶板压力不仅仅是与顶板的结构有关联，还与采空区的充填状态有关，在面对一般情况下支架设计和选择时，可用（公式X）为基础要素，根据实际情况来进行硬度的调整，达到最优状态。在这种结构下水平推力不会成为主要矛盾的产生，更不会出现大的冲击载荷。

3.分析结论

在经过现场的一系列实测与分析，我们认为需要建立正确的顶板结构力学模型，来为支架设计、选型来奠定基础，针对顶板结构以及其运动规律，不同情况，不同分析，进行合理的支架设计，摸清采放顶煤支架受力与顶板结构的关系，是对开采现场综合水平的提高。对可能形成顶板结构形式的影响因素进行探讨研究，不能简单的采用死搬硬套的形式，要考虑到多方面原因：是否是支架载荷与分层开采的大小问题，还是支架载荷与支架控制顶板的状态有关，以及支架的受力程度是否受到顶点结构的影响，放眼各个采场对于控制顶板状态的要求不同，具体问题进行具体分析。在我国开采条件的多样性情况下，不应该只局限与一种或少数的几种方法来解决问题，老的模式只适合在原始的情况下，要根据新的实际技术需要，对设计进行改造，为其打造一个与之相适应的、且高效安全的具有综合优势的模式。