复杂围岩支护体系刚度及设备适应性分析

李怀渊

(山西汾西矿业集团水峪煤业，山西 孝义 032300)

0 引言

采场支架与其支撑的围岩是一对相互作用着的矛盾统一体。两者间的关系体现了围岩的运动规律与支架的性能、结构间的适应性及相互间的影响规律[1-2]。它是分析确定支架应具有的最合理结构及参数的依据。在由老顶、直接顶、支架及底板组成的采场支架围岩体系中，“支架-围岩”关系为支架和老顶，直接顶及底板间的关系[3]。对于顶板破碎、底板松软的煤层围岩，“支架-围岩”关系的重点主要体现在支架和老顶、直接顶及底板间的刚度关系中，尤其是在老顶-直接顶-支架这一支架围岩系统中，支架和老顶间的相互作用是通过直接顶介质发生的，在直接顶为具有一定刚度的可变形介质条件下，支架能否对老顶的位态起到限制作用，随着老顶回转变形程度的增大，支架是否一直受到老顶回转变形的影响，则取决于直接顶介质的整体力学特性和变形破坏状况[4-5]。

1 工程概况

矿井10-2煤层厚0.90～2.50 m，平均1.96 m，属中厚煤层，结构复杂，局部煤层含1～2层夹石。其成分为粘土岩，f=3，夹石分布无规律，夹石一般厚0.03～0.68 m，局部达到1.14～1.30 m。10-2煤层下距11煤层8.86 m。煤层直接顶为薄层煤(即10-1煤层，厚0～0.83 m)和粉砂岩构成的复合顶，厚2.48 m，层理、节理发育，易破碎，强度低(f=3)。底板为灰白色粘土岩，厚0.98～9.07 m，平均2.85 m，塑性大，遇水易软化膨胀，强度低(f=3)。

上覆9806工作面已回采完毕。工作面标高-162.5～-198.0 m，地表标高+113.2～+116.8 m，工作面采深300 m左右。本工作面设计开采煤层为10-2煤层，该工作面范围内，10-2煤层结构简单，赋存稳定，全部可采，煤层厚度在1.84～2.30 m之间，平均厚2.00 m。

工作面采用整体顶梁式液压支架回采。双滚筒采煤机自开缺口，采用端头斜切进刀方式，双向割煤，往返一次进两刀。采煤机割煤，螺旋滚筒配合刮板输送机装煤，刮板输送机运煤，ZH1600/16/24Z整体顶梁式液压支架支护顶板。

2 “支架-围岩”体系刚度

2.1 支架的刚度

液压支架的刚度特征主要体现在立柱的刚度，表现为液压系统的压缩液性和缸体壁变形的特征，直接与立柱的密度有关系，并与液压柱的密封性有关，密封性越好，其刚度越大。因此，提高立柱刚度的主要途径为增加液压柱的密封性，并增大柱缸径。支架的刚度可用下式表示

(1)

根据对10806工作面的矿压观测，支柱的平均工作阻力为31.7 MPa，平均下缩量为26.5 mm，则

2.2 底板的刚度

底板的刚度对“支架-围岩”系统有着直接影响，当底板刚度较小时，在支架支柱受力压缩时，底板同时出现下缩，这就等同于减小了支架支柱下缩量，从而减小了支架-围岩支护体系的刚度，使支护效果变差，顶板下沉，导致支护失稳。底板的刚度Kf可通过对反映底板抗压入特性的底板比压的分析获得。不同硬度的底板具有不同的刚度，因而对支架围岩体系的影响也不同。

底板刚度的计算公式如下

(2)

式中：q—底板比压，MPa；ΔH—底板压入量，mm。

该矿底板较软，尤其是被水浸泡后，底板比压值更低，表1是10-2煤层底板比压的实测值。

表1 10-2煤层底板比压及刚度测试值表

根据表1的底板比压实测值可知，10-2煤层的底板完整无水时，底板比压平均为3.31 MPa，平均刚度为0.099 MPa/mm，属于松软底板类型。但当底板遇水浸泡后，底板比压值平均仅有0.89 MPa，平均刚度值只有0.026 7 MPa/mm，属于极松软底板。试验面选用的ZHZ1600/16/24型悬移支架底板比压值为2.5 MPa，可见在底板完整无水的情况下，10-2煤层的底板是完全满足ZHZ1600/16/24型悬移支架对底板要求的，但遇水浸泡后底板状况恶化，底板刚度降低，应加强管理并采取必要的措施提高底板的刚度。目前提高底板刚度的主要办法就是增加支柱底座的面积，根据现场实测，需要的底座面积可根据下式计算

(3)

P—支柱设计最大工作阻力为400 kN(42.1 MPa)；Kc—容许比压对应的刚度(容许刚度)，MPa/mm；上10为系数，下10为允许支柱压入量为10 mm。

底板完整无水时，需要的底座面积为

所需对底支撑面积

S=425×4=1 700 cm2=0.17 m2

底板遇水浸泡后，需要的底座面积为

所需对底支撑面积

S=1 577×4=6 308 cm2=0.630 8 m2

也就是说支架底座面积≥0.630 8 m2。根据支架的结构，前、后排柱可各配800 mm×400 mm的底盘，对底板支撑面积达到0.64 m2，在允许钻底10 mm的情况下基本能满足要求。

2.3 10-2煤层直接顶刚度分析

对于矿井破碎顶板及软弱底板条件下，在推进过程中呈现的不同情况。

当h≥6.0 m时，直接顶呈似零刚度状态，支架支护强度P=γh≥144 kN/m2，即0.144 MPa。

当h≥0.57 m时，直接顶呈似刚性状态。顶板下沉量Δl=Lk×sinθ=0.55 m。

当0.57 m

10-2煤层整体顶梁悬移工作面，采高2 m，顶板岩层分别为粉砂岩0.97 m，10-1煤层0.48 m，粉砂岩0.75 m，厚度为1.4 m的9煤层的采空区冒落岩石约10 m，总的直接顶厚度12 m以上。

根据上面的计算，当h≥6.0 m时，直接顶呈似零刚度状态，需要提供的支护强度≥0.14 MPa。这从理论上也论证了该矿复合顶板为软弱、破碎的顶板，顶板刚度近似零状态，说明了其支护的困难程度。如果采用高档普采方式，采用整体顶梁液压支架后，顶梁采用了整体箱式结构，2.8 m2/架，护顶面积可达到95%以上(与综采支架相同)。由于顶板的抗压入性较差，整体式的悬移顶梁增加的支架与顶板的接触面积，使得顶板刚度很差的矛盾得到缓解，支护效果明显提高。

ZHZ1600/16/24型支架提供的支护强度为0.5 MPa，大大高于0.144 MPa，所以选型设备的支护强度是足够的。

3 支架适应性分析

3.1 工作面支架参数

支架型号：采用ZH1600/16/24型悬移式液压支架；

高度：1.6～2.4 m；

长度：3.2 m；

宽度：0.96 m，支架中心距1.0 m；

初撑力：760 kN，工作阻力1 600 kN(41.2 MPa)

支护强度：0.5 MPa，泵站压力20 MPa；

最大件重量：800 kg；

支架重量：1 400～1 800.3 kg；

柱径：200/130 mm，行程0.8 m；

立柱数量：4个。

3.2 支架工作状态分析

支架初撑力分析：从统计结果看(图1)，支架初撑力一般在400～800 kN之间，约占总数的98.2%，最大值832 kN，最小值157 kN，平均值为714 kN，平均值占额定值的93.9%。初撑力达到700 kN以上的占96.5%(额定初撑力为760 kN)，从图2可以看出，各测区支架初撑力大多符合要求。这说明支撑系统刚度正常，悬移支架在大面积底座及整体箱式顶梁作用下，顶底板的刚度提高，保证了支撑系统的刚度，从而保障了初撑力的稳定，使支架达到额定工作阻力的时间缩减，有效降低了顶板下沉量，使工作面煤壁片帮和端面破碎程度大为减轻。

图1 支架初撑力频率分布图

图2 支架末阻力频率分布图

支架工作阻力分析：各支架的工作阻力平均值为1 058 kN，来压期间工作阻力的平均值为1 261 kN，大多分布在800～1 200 kN之间，占总数的59.3%，另外，在600～800 kN 之间的占总数的11.8%，1 200～1 400 kN的点有总数的9.5%，小于600 kN的占15.7%，大于1 400 kN的占3.7%。

根据统计结果，初撑力平均值为714 kN，工作阻力平均值为1 058 kN，支柱工作期间平均增阻344 kN，增阻效果明显，说明该悬移支架能较好地适应10-2煤层这种复杂的顶底板围岩条件，能保证围岩-支架体系的总体刚度，并提供较好的支护环境和支护效果。在顶板来压期间，多数支架接近额定工作阻力，只有个别安全阀开启。

4 结论

(1)底板的刚度通过对反映底板抗压入特性的底板比压的分析获得，10 806 工作面底板完整无水时，底板比压平均为3.31 MPa，平均刚度为0.099 MPa/mm，属于松软底板类型。但当底板遇水浸泡后，底板比压值平均仅有0.89 MPa，平均刚度值只有0.026 7 MPa/mm，属于极松软底板。

(2)10-2煤层直接顶为似零刚度状态的直接顶，说明了其支护的困难程度，采用整体式的顶梁增加了支架与顶板的接触面积，使得顶板刚度很差的矛盾得到缓解，支护效果明显提高。

(3)采用整体顶梁液压支架后，顶梁采用了整体箱式结构，2.8 m2/架，护顶面积可达到95%以上(与综采支架相同)。所以，可以认为顶板的刚度是似刚性的支架，增加底座面积后，底板刚度大幅度提高，可以认为达到了似刚性，所以支架围岩系统的刚度达到了似刚性状态。