组合煤层综放工作面矿压规律及支架选型研究

王鑫海

（山西煤炭进出口集团蒲县豹子沟煤业有限公司，山西 临汾 041200）

山西豹子沟矿主采9+10+11 号煤层，9 号、10 号、11 号煤层的间距较小，中间存在0.6～2.56 m 的夹矸，开采时往往合并开采，属于组合煤层。该矿10103工作面煤层厚度4.2 m，煤层倾角平均5°，采煤高度为2.8 m，放高1.4 m，采放比2:1。其基本顶为14 m 厚的石灰岩，局部有0～0.1 m 的泥岩伪顶，直接底为泥岩，平均厚度3.5 m。工作面采用放顶煤采煤法，由于采厚较大，采空区空间较大，覆岩的垮落及下沉量较大，工作面来压较为剧烈，支架选型存在一定的困难。

1 综放工作面覆岩运动规律研究

以10103 工作面为工程背景，基于工作面附近钻孔综合柱状图及工作面剖面，建立UDEC 数值模型，模拟10103 综放工作面开采后覆岩破断及运移规律[1-2]。模型尺寸宽×高=300 m×160 m，模型顶部施加4 MPa的垂直载荷代替模型上部岩层重量，采用摩尔-库伦本构模型，左右两边留设50 m 煤柱以消除边界效应，中间开采200 m。岩层及力学参数见表1。模型采用分布式开挖，推进速度5 m/次，推进一次稳定后记录覆岩变形、移动情况[3-4]。在模型内布置三条测线，测线1 布置在基本顶内，测线2 布置在工作面上方30 m 的坚硬岩层细砂岩内（可能为关键层），测线3 为工作面上方88 m 的位置。模型及测线位置如图1。

图1 数值模型示意图（m）

表1 数值模拟岩石力学参数

从模拟结果可知，工作面垮落情况：推进从5 m 至45 m 时，工作面基本顶保持完好，没有较大的变形量；当工作面推进至50 m 时，工作面基本顶发生断裂、垮落，说明已到达极限跨距，工作面初次来压步距为50 m，覆岩垮落高度2 m；随着工作面继续向前推进，工作面发生周期性垮落，周期垮落步距约为10 m，垮落的岩层在采空区内铰接，形成砌体梁结构；工作面推进90 m 时，发生第三次周期来压，覆岩垮落高度26 m。塑性区情况：工作面推进至10 m 时，顶板无塑性破坏情况，底板出现塑性破坏；工作面推进至50 m 时，基本顶明显发生塑性破坏和张拉破坏，煤壁前方同样发生塑性破坏；随着工作面继续向前推进，顶板塑性区向上发展。位移变形情况：从测线1 中可知，工作面推进至30 m 时，顶板下沉量较小；工作面推进50 m 时，距切眼25 m 位置的基本顶下沉量最大为2.05 m；随着工作面推进至70 m 时，距切眼25 m 位置的下沉量为3.76 m，说明工作面推进至50 m 时，基本顶未全部垮落，推进至70 m 时，基本顶全部垮落。由测线2 可知，工作面推进至50 m 时，距切眼25 m 位置细砂岩下沉量为0.83 m；工作面推进至70 m 时，距切眼30 m 位置细砂岩下沉量达到3.08 m，并逐渐趋于稳定。由测线3 可知，工作面推进至50 m 时，最大下沉量为0.40 m；工作面推进至70 m 时，最大下沉量为2.45 m，并逐渐趋于稳定。部分模拟结果如图2 和图3。

图2 工作面推进50 m 时覆岩断裂图

图3 基本顶垂直位移变化曲线图

2 组合煤层综放工作面围岩支架关系

液压支架与围岩一直处于动态平衡关系，液压支架并不能承受其上部所有岩层的重量，只能依靠围岩的自承作用，掌握支架围岩的相互作用关系同时可指导液压支架选型[5-6]。工作面回采后覆岩发生破断出现初次来压和周期来压，采空区上覆岩层垮落后与工作面上方覆岩形成砌体梁结构，直接顶和后方矸石承担砌体梁结构岩层及其上覆岩层所产生的支承压力，综放支架上方的顶煤和工作面前方的煤壁直接支撑直接顶，液压支架承受直接顶的变形和载荷，工作面煤体、液压支架及采空区矸石形成水平上支撑老顶及上覆岩层的支撑系统。则由于采动影响引起顶板载荷Fs可通过下式得到：Fs=Ks·Ds，其中Ks为整个支撑系统刚度，即Ks=Kc+Kps+Kg，Kc为煤壁前方煤体的刚度，Kps为支架增阻阶段刚度，Kg为后方垮落矸石的刚度；Ds为工作面顶底板移近量，mm。

若顶板下沉引起支架所增加的载荷为Fps，则有Fps/Fs=Kps/Ks=Kps/（Kc+Kps+Kg），若综放支架的初撑力为P0，则支架载荷F'ps=P0+Fps。若后方垮落矸石的刚度Kg为支架增阻阶段刚度Kps的m倍，则可得Fps/Fs=1/（2m+1）。由上述公式可知，当支架初撑力P0为一定值时，支架受到的载荷随着后方垮落矸石的刚度Kg为支架增阻阶段刚度Kps的倍数m的增大而快速变小，换句话说，液压支架受到的载荷随着煤体和后部矸石的刚度越大而越小，而采空区垮落的矸石与直接顶垮落的高度有直接关系，垮落高度越大，由于岩石的碎胀性，采空区矸石填充的越大，间隙越小，矸石的刚度越大，液压支架受到的载荷越小，反之支架受到载荷越大。采空区覆岩垮落后又形成“砌体梁”结构，砌体梁结构不致发生滑落失稳的条件为：

式中：h、h1分别为结构层及载荷层厚度，m；δc为岩层单向抗压强度，MPa；tgφ为块间摩擦系数；θ为回转变形角，（°）；ρ为岩层密度，kg/m3；g为重力加速度，为9.8 m/s2。

由于10103 工作面煤层存在夹矸的情况，其力学形态与纯煤存在一定的差异，其液压支架、煤体、采空区矸石形成的支撑力学模型如图4。

图4 组合顶煤工作面支护系统模型图

3 综放采场支架载荷估算

根据工作面液压支架及围岩相互作用关系，建立整体力学模型，结合现场相关参数综合分析，支架应能承受直接顶、9 号煤、夹层岩体与顶煤的重量以及老顶周期来压变形失稳的冲击载荷。按采煤工作面质量标准规定，10103 工作面支架需要承受的荷载为8 倍采高的岩石重加顶煤上覆岩层重量以及老顶冲击载荷。

式中：Q1为工作面支架需要承受的荷载为8 倍采高的岩重，kN；H为采高，2.8 m；γ为上覆岩层平均容重，25 kN/m2；L0为工作面长度，168 m；Lmax为支架最大控顶距，5.8 m。

式中：Q2为顶煤上覆岩层重量以及老顶冲击载荷，kN；K0为老顶冲击载荷系数，取1.4；Lmax为支架最大控顶距，5.8 m；B为支架宽度，取1.5 m；γ为上覆岩层平均容重，取25 kN/m2；L1为夹层岩体厚度，0.95 m；L2为直接顶厚度，0.3 m；L3为老顶厚度，13.75 m；M1为10+11 号顶煤厚度，1.4 m；M2为9 号煤厚度，1.1 m；γ1为煤层平均容重，取14.4 kN/m2。

工作面支架所需承载的总顶板压力Q=Q1+Q2=550 669 kN。根据以上计算结果、支架参数和工作面长度，最终确定108 架ZF7200/17/33 型放顶煤液压支架、6 架ZFG8000/22/35 型过渡支架、一组ZT14400/22/35 端头支架；工作面总工作阻力F=7200×108+8000×6+14 400=840 000 kN ＞550 669 kN，工作面支架选择符合要求。

4 结论

1）豹子沟矿主采9+10+11 号煤层为组合煤层，根据数值模拟结果可知工作面初次来压步距约50 m，周期来压步距约10 m，工作面推进至10 m 时工作面底板发生塑性破坏，当工作面推进至50 m时工作面前方煤壁发生塑性破坏，当工作面推进至60 m 时工作面顶板发生塑性破坏及张拉破坏。

2）10103 工作面煤层存在夹矸，建立了相应的支架围岩力学模型，通过理论计算获得支架工作阻力应不小于550 669 kN。