K2灰岩顶板综采工作面支架合理工作阻力分析

王继松

(1.晋能集团临汾有限公司，山西 临汾 041000； 2.山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司，山西 太原 030006)

引 言

大采高或一次采全高综采工艺使得其综采效能得到了长足的发展，目前大采高或一次采全高综采的覆岩控制理论、活动规律和生产实践日益完善[1-3]。随着综采工作面长度和煤层埋深的增加，上覆岩层运动和普通长度大采高综采工作面相比有所不同，需对综采工作面的合理支架工作阻力进行确定[4-6]。本文以某煤业15203工作面为研究对象，对其K2灰岩坚硬顶板的结构及运动规律进行研究，分析综采长工作面支架-围岩系统的作用机理，确定15203工作面支架工作阻力，论证分析矿井现有工作面液压支架能否满足工作面长度为280 m时的顶板管理要求，并给出一次采全高综采长工作面支架工作阻力的确定方法。该研究可为K2灰岩顶板综采工作面支架工作阻力的确定提供参考借鉴作用。

1 15203工作面概况

某煤业15203工作面位于井田二采区北部，地层倾角为1°～4°，煤层厚度为4.17 m～5.15 m，平均厚度为4.2 m，常夹0层～2层夹矸，结构简单至较简单。煤层顶底板岩层分布稳定，顶板为K2灰岩，厚度为5.4 m～7.8 m，为坚硬岩石，巷道围岩分类为Ⅰ级～Ⅱ级，为非常稳定围岩至稳定围岩。15203工作面为一次采全高综采工作面，工作面长度为280 m，采高为4.2 m，推进长度为1 510 m，工作面煤层埋藏深度为250 m～468 m。现有的中间架为ZZ6800/20.5/45，端头架为ZZGD6800/20.5/45，过渡支架为ZZGD6800/20.5/45，其中，中间架顶梁长度为4.195 m，最大控顶距时梁端距为0.9 m，中心距为1.5 m。

2 15203综采工作面支架工作阻力分析

综采支架工作阻力确定的方法主要为采高容重法、实测统计法、砌体梁结构分析法和经济因素估算法。根据15203工作面工程地质条件，15203工作面支架工作阻力确定的具体方法为：采用上述方法初步确定支架的工作阻力，然后，考虑顶板坚硬、采高较大等影响，修正相应的计算方法，修正后计算确定支架工作阻力，最后，考虑15203工作面初采、过构造、过空巷、大倾角及末采阶段等特殊地质条件，以及工作面开采强度大、推进速度快时支架管理可能不到位，考虑一定的富裕系数，进一步修正支架工作阻力计算结果，综合确定15203工作面支架的工作阻力。

2.1 采高容重法

支架的合理工作阻力应能承受控顶区内以及悬顶部分的全部直接顶岩重，还要承受当老顶来压时形成的附加载荷。即，该方法是基于悬顶距等于控顶距这个假设的，当采高较大时，悬顶距不等于控顶距，取周期来压步距。K2灰岩顶板为坚硬顶板，周期来压较为剧烈，取8倍数，采用8倍采高容重法的计算结果偏低。其支架的工作阻力见第56页式(1)。

P=PtS

(1)

式中，Pt为支架支护强度，kN/m2，Pt=4hmγ(hm为煤层采高，取4.2 m；γ为K2灰岩容重，取25 kN/m3)；P为支架工作阻力，kN；S为支护面积，m2，S=(l1+l2)l3(l1为梁端距，取0.9 m；l2为顶梁长度，取4.195 m；l3为中心距，取1.5 m)。经计算，P=6 291 kN。

2.2 实测统计法

K2灰岩为坚硬顶板，在初次来压前，顶板为双支点岩梁；初次来压后，顶板为悬臂岩梁。顶板初次来压时，支架延米支护阻力计算见式(2)。

(2)

式中,L0为初次来压步距，取28 m；H为工作面顶板的老顶厚度，取5.9 m；R为支架控顶距，取5.095 m；p0为工作面顶板抗拉强度，取1.8 MPa；q为载荷集度，取376 kN/m2。经计算得RH1为5 090 kN/m，中心距为1.5 m时，得其支架的工作阻力为7 635 kN。

顶板周期来压时，支架延米支护阻力计算见式(3)。

(3)

式中,L为周期来压步距，取18 m。经计算得RH2为4 779 kN/m，中心距为1.5 m时，得其支架的工作阻力为7 169 kN。

2.3 砌体梁结构分析法

工作面支架的作用应及时支撑控顶区内直接顶岩层，避免直接顶和老顶离层而破碎，同时，要对上覆岩层可能形成砌体梁结构的老顶岩层以作用力，以平衡其部分载荷，不让其沿工作面形成切顶及大量的台阶下沉。其支架支护强度计算见式(4)。

(4)

式中,∑h为直接顶厚度，取7.8 m；θ为岩块破断角，(°)；φ为岩块间摩擦角，(°)；δ为岩块回转下沉量，m；Q为工作面顶板上方裂隙带下位岩层中暴露岩块的全部质量，t。φ-θ为岩块间的内摩擦角，一般为0.6°。经计算，采高为4.2 m时得到支架支护阻力为6 759 kN。

3 支架工作阻力修正

考虑到15203工作面初采、过构造、过空巷、大倾角及末采阶段等特殊地质条件以及工作面开采强度大、推进速度快时，支架管理可能不到位，因此，进行支架工作阻力计算时，应当考虑一定的富裕系数。ZZ6800/20.5/45支架为支撑掩护式支架，其液压支架支撑效率选0.9。则支架实际所需工作阻力为采高容重法得到的支架工作阻力为6 291 kN，采用0.9的支撑效率进行修正，得其工作阻力为6 990 kN，约7 000 kN；实测统计法得到初次来压期间，支架的工作阻力为7 635 kN，修正后的工作阻力为8 483 kN，约为8 500 kN；周期来压期间，支架的工作阻力为7 169 kN，修正后的工作阻力为7965 kN，约为8 000 kN；砌体梁结构分析法得到的支架工作阻力为6 759 kN，修正后的工作阻力为7 510 kN，约7 600 kN。取其最大值，修正后的15203综采工作面支架工作阻力为8 500 kN。

4 结论

1) 采用采高容重法、实测统计法和砌体梁结构分析法3种方法初步确定支架工作阻力，然后考虑顶板坚硬、采高较大等影响，修正相应的计算方法，修正后计算确定支架工作阻力，最后考虑工作面初采、过构造、过空巷、大倾角及末采阶段等特殊地质条件以及工作面开采强度大、推进速度快时，支架管理可能不到位，应考虑一定的富裕系数，进一步修正支架工作阻力计算结果，综合确定工作面支架工作阻力。

2) 采高为4.2 m时，当15203工作面长度280 m时，考虑工作面最大埋深，确定15203综采工作面支架工作阻力为8 500 kN。15203工作面现有ZZ6800/20.5/45型支撑掩护式液压支架，工作阻力为6 800 kN，不能满足15203工作面长度为280 m时的顶板管理要求。

3) 工作面在开采过程中可能遇到构造、空巷、煤层倾角较大等特殊地段，以及开采强度大、推进速度快时，支架管理不到位，建议埋深在400 m以下区域布置工作面长度不宜超过200 m，液压支架工作阻力不低于8 000 kN。