特厚煤层支架工作阻力适应性研究

刘 华 军

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西 兴县 033602）

1 工程概况

斜沟煤矿23110 综放工作面使用综采放顶煤工艺、自然垮落法的顶板管理方法，回采面长240m、所采的13# 煤层均厚15m，平均倾角7.1°，回采时的机采高度4m。煤层直接顶炭质泥岩均厚1m，基本顶细粒砂岩均厚7.4m；直接底岩性与直接顶相似，为较破碎的炭质泥岩，均厚2.07m，基本底均厚9.25m，为灰黑色的泥岩。工作面共布置ZF13800/27/42 型液压支架128 架，目前通过对23110 综放工作面回采过程中来压现象进行监测，发现支架在非来压期间的平均工作阻力为7500kN，回采时周期来压步距为12m，而支架在来压期间的平均工作阻力可上升至15000kN，导致安全阀频繁开启，并且观察到来压期间工作面顶板下沉量大， 存在压架的安全隐患， 故需对ZF13800/27/42 型液压支架的适应性进行研究。

2 顶板力学特征分析

图1 大采高放顶煤覆岩结构示意图

煤层厚度达15m 的特厚煤层开采时，工作面后方覆岩垮落空间大，因此覆岩垮落影响剧烈，并且由于斜沟煤矿特厚煤层采高达4.0m，使得一般采高下回采后覆岩中可形成稳定结构的基本顶会成为随采垮落的直接顶，更高位的坚硬覆岩形成回采过后覆岩砌体梁结构中的基本顶，如图1 所示。当工作面支架阻力达不到控制覆岩顶板下沉的要求时，直接顶下沉超过一定值后，会导致覆岩中悬臂梁的回转下沉，使其承载能力降低，破坏砌体梁的完整性，工作面来压时会进一步导致砌体梁的滑落、失稳，进一步导致强烈矿压显现，使工作面支架承受较高的工作阻力。

2.1 非来压期间

综放工作面在非来压期间正常推进时，工作面覆岩形成的多层悬臂梁的自重对工作面液压支架产生作用力。

对于悬臂结构[1-2]，第i 层单边固定的悬臂梁长度Li及自重Gi分别由式1、式2 计算得到：

式中：RTi为第i 层岩层的单轴抗压强度，MPa；hi为第i 层岩层的厚度；qi为第i 层岩层形成悬臂梁上单位长度所受载荷，MPa。

其中：b 为综放工作面支架宽度，m。

工作面覆岩所形成悬臂梁重心与工作面煤壁距离不同时，产生的作用力也不同。第i 层单边固定的悬臂梁重心与工作面煤壁之间的距离xi一般为该层悬臂梁长度的一半，即架在多层覆岩悬臂梁作用下需承担的作用力FC由式3 所得：

式中：hm为待放顶煤厚度，m；lr 为液压支架立柱中心点与煤壁的距离，m；γm为待放顶煤平均容重，kN/m3；ld 为综放支架顶梁的长度，m；k 为相邻支架前后挪动距离系数，取1.2。

2.2 来压期间

随着工作面的持续回采，工作面覆岩形成的悬臂梁达到一定长度后，会发生回转、破断，造成工作面来压，而悬臂梁演化为砌体梁，因此，液压支架在低位处提供等同于覆岩悬臂梁自重的阻力的同时，还应在高位处保证支架对所形成的砌体梁有一定的支撑力[3]，防止覆岩产生的悬臂梁发生回转时影响上层位砌体梁结构的稳定性。

对于砌体梁结构[4]，工作面液压支架回采过程中需维持砌体梁稳定所提供的作用力Fj可由式4进行计算：

式中：Q0为工作面覆岩关键层所控制岩层及其自身的载荷，kN；l 为回采中周期来压步距，m；s 为回采过程中覆岩关键层下沉量，m；θ 为覆岩破断角，°；h 为覆岩关键层厚度，m；φ 为覆岩岩块间摩擦角，°。

综上，可以得到大采高放顶煤工作面液压支架所需工作阻力F 的计算公式式5：

若液压支架所能提供的最大工作阻力也无法使砌体梁结构保持稳定，砌体梁的滑落失稳则一定会使悬臂岩梁发生剪破坏，在液压支架顶梁长度范围内发生剪破坏悬臂梁会施加载荷于支架，使支架承受较高的工作阻力。

3 支架工作阻力的确定

将斜沟煤矿23110 综放工作面覆岩岩层的具体参数代入上述公式进行23110 综放工作面安全回采所需支架工作阻力的确定。

3.1 非来压期间支架阻力计算

工作面正常推进未受周期来压影响时，其覆岩形成的悬臂梁为“倒台阶”结构。23110 综放工作面煤层上方各层岩层强度不同，致使覆岩在回采过后形成了多层悬臂梁组合结构，且在该典型的" 倒台阶" 结构中，由下至上的悬臂梁长度逐渐增加，多层悬臂梁同顶煤一起施加载荷于支架。煤层直接顶炭质泥岩强度不高，但在跨落后形成较短的悬臂仍可对上方岩性更弱、层厚较小的泥岩与炭质泥岩提供支撑力，形成了第一层“倒台阶”悬臂梁；同理该悬臂梁上方质地较硬的粗砂岩和细砂岩会形成第二层、第三层“倒台阶”悬臂梁，如图2 所示。

图2 23110 工作面非来压期间覆岩悬臂梁结构示意图

23110 综放工作面待放顶煤厚为11.0m，平均容重为14kN/m3，液压支架立柱中心点与煤壁的距离为3.8m，综放支架顶梁的长度为5.5m、宽1.75m，并将覆岩具体力学参数代入式3 计得出，在工作面非来压正常回采期间液压支架受覆岩多层悬臂梁载荷作用所表现出来的工作阻力FC=7450kN。与该工作面非来压回采过程中支架工作阻力的矿压监测结果相符，说明所采用支架的工作阻力可满足该工作面非来压期间安全回采的要求。

3.2 来压期间支架阻力计算

在工作面周期来压期间，液压支架所需工作阻力F 由承载上覆低位悬臂梁载荷和保持高位砌体梁稳定情况下所需工作阻力两部分组成，即F=FC+Fj。

23110 工作面覆岩中关键层的厚度为14.3m，现场回采过程中的矿压监测显示，回采时的周期来压步距为11.5m，回采过后关键层有3.5m 的下浮，覆岩各岩块间平均摩擦角取45°，将上述参数代入公式即得到在工作面周期来压期间可保证工作面安全回采的支架阻力为F=FC+Fj=7503+10476=17979kN。

若支架在工作面来压期间所提供工作阻力达不到17979kN，就会导致覆岩砌体梁结构失稳及悬臂梁的剪切破坏，此时破断的悬臂梁对支架的载荷此时工作面支架所受到的作用力将不小于Fj与Fz之和，即F≥Fj+Fz=21846kN。从而使支架承更高的工作阻力，产生压架的安全隐患。

4 结 论

本文以斜沟煤矿23110 综放工作面的回采作业为背景，通过对特厚煤层综放工作面覆岩顶板来压期间与非来压期间的力学特征进行分析，发现由于特厚煤层工作面后方覆岩垮落空间大，导致回采过程中覆岩会形成下位“倒台阶”悬臂梁、上位砌体梁的结构，并通过理论计算得液压支架的工作阻力高于17979kN 时，才能避免覆岩砌体梁结构失稳滑落，保证斜沟煤矿23110 综放工作面的安全回采，否则砌体梁结构的失稳滑落会导致支架承受不低于21846kN 的工作阻力，增大压架的风险。