综采工作面上覆岩层与支架相互作用研究

宁杰恒

（山西省临汾西山能源有限责任公司，山西 临汾041000）

随着煤炭开采技术与开采深度的不断推进，工作面支架的选取以及煤矿上覆岩层的运动规律也需要深入的研究，对此，不少学者已有自己的见解，王国法通过分析近年来大采高技术的发展，进行了大采高液压支架的可行性分析，为我们提供了重要的支持[1]，徐亚军通过对工作面液压支架的力学特性的研究，建立了围岩与支架相互耦合的数学模型，并将理论分析运用到实际，分析了液压支架的载荷分布，验证了其理论的正确性[2]，杨元凯，李瑞杰，孙攀等以神东公司为基础，探讨了煤矿的矿压理论。通过对顶底板受力的分析，为液压支架的选择提供了重要的依据[3]，苏林军针对大采高工作面，即一次采全厚的煤层，在其他采煤设备的配合下，重点分析了支架在支护过程中对于顶板的维护作用，液压支架所受的阻力等力学参数进行了研究，为实际的液压支架的设计与维护提供了可靠的技术。

本文在众多学者的研究基础上，从理论到数值模拟再到数学计算，详细的分析了工作面复杂的力学规律，在“砌体梁”假说的基础上，考虑到围岩与支架的作用规律，对液压支架的选择提出了可行性建议。

1 综采工作面上覆岩层与支架相互作用关系

关于煤矿采场上覆岩层的运动规律，现已有很多假说，“压力拱”假说认为随着采煤机的推进，采空区上覆岩层垮落后，此时达到一个稳定的压力拱结构，支架只承担压力拱内岩层的质量就可以保证工作面的连续推进，改假说忽略了支架与围岩之间的相互作用；“悬臂梁”假说认为随着工作面的推进，采空区顶板呈现悬空状态，工作面一端在上覆岩层压力的作用下固定在煤壁中，只有当工作面推进到一定长度，采空区顶板在自重力的作用力会实现自动垮落，改假说认为这也是形成矿井周期不稳定来压的原因；“铰接岩块”假说认为工作面推进后，支架上方依次会形成不规则的垮落带、规则垮落带以及规则的移动带，采动过后，不规则垮落带先垮落，规则的垮落带也就是层状岩层会随之垮落，上覆规则的移动带会在载荷和重力作用下出现不规则的断层，部分会发生垮落，随着采煤机的推进，上覆规则移动带会逐步垮落；“预成裂隙”假说把工作面附近分为应力降低区、应力增高区和采动影响区三个区域，改假说认为随工作面的采动，原岩应力遭到破坏，上覆岩层会在出现裂缝后逐步形成塑性稳定区，岩层通过自重应力从而实现逐层垮落。

我国学者钱鸣高教授在已有假说的基础上，创造性地提出了“砌体梁”假说，如下页图1所示。“砌体梁”假说认为采动过后，直接顶会先行垮落，直接顶上覆岩层会形成稳定的S-R结构而达到稳定，块体之间在水平应力的相互作用下能承担上覆岩层的质量，且靠近直接顶的岩层块状相对较多。“砌体梁”假说充分考虑了围岩与支架相互的作用，它认为因为采动影响，支架被动接受围岩带来的压力从未达到工作面的稳定。该假说成功结合微观和宏观，解释了巷道围岩和支架相互作用的规律，为我国煤矿安全生产提供了强大的理论支持。

2 工作面液压支架的数值模拟以及选择

在煤矿生产中，采煤机是必不可少的机械设备，上文我们对采场上覆岩层和支架的演化规律进行了讨论，本节我们用FLAC3D数值模拟软件对工作面的原岩应力分布以及不同支护强度下岩层的垂直位移云图进行了模拟，FLAC3D因为其强大的绘图能力以及丰富的数值模型而受到国内学者的肯定，利用FLAC3D的数值耦合计算进行了模拟，从模拟图2中可以看出，在所选取的范围内，岩层的原岩应力随埋藏的增加而增加，埋藏浅的岩层则其原岩应力相对较小，况且岩层之间的应力分布界限非常明显。

图1 “砌体梁”假说模型

图2 原岩应力（Pa）分布图

图3 支护强度为0.5 MPa时的垂直位移（m）云图

图4 支护强度为1.0 MPa时的垂直位移（m）云图

图3、图4模拟了支护强度为0.5 MPa和1.0 MPa情况下垂直位移云图，两种支护强度下最大的垂直位移分别为3.7 cm和2.9 cm，从模拟图3、图4中可以明显看到上覆岩层的位移移动有所改善，支护强度为0.5 MPa时，直接顶位移明显较大，其上覆岩层也因直接顶位移的改变而增加；对于支护强度为1.0 MPa的情况，直接顶的位移得到明显的改善，从数值上减少了0.8 cm，这一改变对于工作面的采动支护有重要的影响。同时依然可以看到支护强度增加后，上覆岩层垂直位移依次降低。

根据数值模拟的结果以及实际的数据，计算得到了支护强度的与顶板垂直位移的关系图，如图5所示。整体来看，支护强度的增加后，顶板垂直位移得到较大的改善，在支护强度为0～0.4 MPa时，顶板垂直位移随支护强度称线性减少的趋势；当支护强度为0.4～0.7 MPa时，顶板垂直位移减低趋势减小，但是依旧在支护的作用下递减；当支护强度为0.7～1.0 MPa时，顶板的垂直位移效果最佳，虽然其变化率最低，但是效果是最佳的，尤其当支护强度为1.0MPa时，曲线接近平缓，支护达到最佳的效果，这也是所预期的结果。

结合实际情况，虽然支护强度为1.0 MPa效果最佳，顶板垂直位移最小，但是考虑到直接实际的承压能力以及经济效益，当顶板垂直位移不足以影响生产，支架的承压能力又刚好支撑顶板时，达到支护与实际经济效益的统一。

根据“砌体梁”假说，在采煤机采过后，上覆的岩层并不是直接全部的垮落，支架的选择只需要保证采煤过程中顶板的最大应力区的最大应力以及由于采动过程中带来的冲击载荷的冲击作用，要想满足此要求，支架最好选择稳定的四柱式液压支架，此支架在保证支护强度的基础上，可以对矿山的周期来压等实现多次重复性的支撑作用，同时因为支架上部面积较大，可以实现工作面顶板的完整性和稳定性，这可以减少不稳定的压力对设备以及工作面造成的无规则破坏，对于井下顶板相对破碎的煤壁，此支架是非常好的选择，并且因为支架的工作灵活性大、便于维修、适用范围广等优点，我们将其作为首选的支护设备。

图5 不同支护强度下顶板垂直位移关系图

3 结论

通过对已有综采工作面上覆岩层与支架相互作用有关假说的讨论，对工作面垂直位移和支护强度进行了数值模拟，并对支架的选择进行了可行性分析，得到以下结论：

1）在已有的假说中，钱鸣高教授提出的“砌体梁”假说除考虑到上覆岩层的自重与相互作用外，还考虑到围岩与支架之间的相互作用，充分解释了工作面复杂的应力环境，为我国煤炭安全开采提供了重要的理论支持。

2）通过对支护强度为0.5 MPa时的垂直位移云图和1.0 MPa时的垂直位移云图的模拟，发现支护强度值越高，垂直位移越小，考虑到实际的工作情况和经济效益，支护强度定为0.7 MPa是最合适的选择。

3）对于支架的选择，应该充分考虑到支架的支护能力以及对不同顶板的支护效果，在合理的支护强度范围内，达到安全稳定的支护效果，并用相对较小的投入得到可观的收益是煤矿的首选。