近距离煤层采空区下支架工作阻力分析及适应性研究

顼 建 新

（同煤集团四台矿，山西 大同 037003）

1 工程概况

表1 81220 工作面顶底板岩层性质表

同煤集团四台矿14 号煤层412 盘区81220 工作面，主采煤层为14-2煤层，煤层均厚2.1m，煤层平均倾角6°，工作面位于1045 水平412 采区，工作面西邻14#311 盘区，东邻南郊区高山煤矿，南部为：81218工作面，现正在回采中，北部为：14#81222 工作面未开拓；煤层直接顶为中粗砂岩，均厚1.93m，工作面上覆为12#煤层的采空区，14-2#煤层与12#煤层间的平均间距为14m，81220 工作面的基本顶为细砂页岩，均厚12.61m，直接底为中细砂岩，均厚1m，具体煤层顶底板岩层特征如表1 所示。工作面采用综合机械化沿煤层顶底板一次采全高进行开采，采高2.1m，采煤机割深0.6m。

2 支架- 工作阻力分析

2.1 覆岩结构判断

根据81220 工作面的具体地质条件可知，14-2#煤层与12#煤层间的第一层亚关键层为基本顶细砂页岩，由于两煤层间存在着厚硬的基本顶结构，基本顶会随着81220 工作面回采作业的进行而出现周期性的垮落，进而对81220 工作面采场矿山压力的显现造成直接的影响。

81220 工作面在回采过程中，基本顶的破断形式为砌体梁式垮落或者悬臂式垮落主要取决于基本顶在回采过程中块体的回转角是否会超过保证结构稳定的最大回转角度，当超过其最大回转角度时，破断块体会在回转变形下导致失稳，进而失去与其他块体间的横向作用力，关键块体便会出现直接垮落，因此可基于破断块体的回转量能够对基本顶结构的形态进行有效判断，对于关键块体是否形成“悬臂梁”结构其判别公式如下：

式中：kp为直接顶垮落岩块的碎胀系数，取值在1.05～1.8；M为煤层的采高，m；h 为关键层的厚度，m；q 为关键层及其上覆岩层的载荷，MPa；∑hi为关键层下部直接顶的厚度，m；σc为关键层破断岩块的单轴抗压强度，MPa。当式（1）成立时，即表明上覆基本顶细砂页岩破断时以“悬臂梁”的形式存在，当式（1）中的不等式不成立时，即表明基本顶关键块体以砌体梁的形式存在。

根据81220 工作面的具体地质条件，工作面上方为12# 煤层采空区，上覆岩层第一亚关键层为12.61m 的细砂页岩, 取直接顶的碎胀系数Kp=1.4，σc=83.11MPa，l=36.8m，q=1200.7kPa，计算得出上述等号左边为2.9，等号右侧为9.61，故基于此可知81220工作面基本顶岩层不符合悬臂梁的形成层条件，所以能够认为81220 工作面在回采过程中，基本顶会形成砌体梁的结构。

2.2 支架工作阻力确定

根据上述分析知81220 工作面与上覆煤层采空区间存在着基本顶，并且基本顶岩层的破断结构回转下沉量较小，岩块间在铰接作用下形成砌体梁结构，下煤层的顶板在支架的支撑作用下，支架后方的顶板岩层较为破碎，具体层间砌体梁结构支架支护阻力的计算模型如图1 所示。

图1 近距离煤层采空区下砌体梁结构力学模型

根据近距离煤层采空区下砌体梁结构的力学模型可知，下煤层工作面的基本顶在下煤层回采后会形成砌体梁的结构形态，下煤层工作面液压支架的工作阻力主要由两部分组成，其中一部分为平衡基本顶砌体梁结构岩块A 所需的平衡力PH，该平衡力会避免砌体梁岩块沿着工作面形成切顶，致使出现大量的台阶下沉；另外一部分为液压支架基本顶下方岩层的重量，该部分重量即为支架控顶范围内的直接顶岩层的重量。基于上述分析可知基本顶砌体梁结构下液压支架的工作阻力的计算公式如下：

式中：P 为支架的工作阻力，kN；P 初为支架的初撑力，kN；L1为基本顶的破断块度，取为5m；Q1为直接顶的重量，为3000kN; H 为基本顶的厚度取为12.61m；δ 为基本顶的回转下沉量，取为2m；Q2为基本顶的重量，为1164.35kN; Lm 为控顶及悬顶距，16m;B 为支架的宽度，1.6m;θ 为支架立柱与底板法线之间的夹角，取为20°；γ 为上覆岩层的容重，21kN/m3,M为煤层的采高，取为2.1m；α 为煤层倾角，取为6°；φ 为岩层内摩擦角，取为50°；Kp为垮落矸石的碎胀系数，取为1.4；根据上述数据能够计算得出支架的工作阻力P=5012kN，支架的初撑力P初=2822.4kN。

基于上述分析得出的支架工作阻力与支架初撑力的数值，并考虑到一定的安全系数，选择81220 工作面采用ZZ5200/25/47 型液压支架，该支架的工作阻力为5200kN，支架的初撑力为4653kN。

3 支架适应性分析

3.1 工作面矿压监测方案

为充分掌握81220 工作面的矿压显现规律，并有效验证分析液压支架选型的合理性，从工作面轨道巷开始，沿着工作面的面长方向布置3 个矿压观测测站，每个矿压观测站内设置3 条测线，即每个测站内对3 台液压支架的工作状态进行监测，监测作业时通过安装在液压支架上的数显压力计对工作面液压支架的工作状态进行有效监测，得出每个工作面循环末支架后柱的工作阻力，上部测站位于3#、13#和24#支架，中部测站位于46#、68#和90#支架，下部测站位于100#、112#和138#测站，具体矿压监测站的布置方式如图2 所示。

图2 81220 工作面矿压监测站布置图

3.2 矿压监测结果分析

3.2.1 液压支架平均工作阻力分布

81220 工作面采用ZZ5200/25/47 型液压支架，该支架的工作阻力为5200kN，初撑力为4653kN，通过对3 个矿压监测站进行持续1 个月的观测记录作业，得出3 个测站支架循环末阻力的的观测结果，通过整理分析，能够得出各个测站内支架的前柱与后柱载荷的平均值，具体工作面推进不同距离下，液压支架平均的载荷如图3 所示。

图3 各测站液压支架平均阻力- 工作面推进距离曲线图

通过具体分析图3 可知，在81220 工作面回采过程中，液压支架的最低压力约为10MPa，最高压力约为30MPa，支架在此压力范围内波动较大，通过换算可知支架的最大工作阻力为4997.23kN，并未超过支架的额定工作阻力；根据3 个观测站液压支架平均工作阻力的变化趋势知，工作面回采过程中受到上覆主关键层、基本顶岩层及12#煤层基本顶岩层的综合控制作用，使得液压支架并未表现出明显的周期来压现象；

另外根据图中数据可知，工作面回采过程中支架后柱的压力均小于支架前柱的压力，相差最大时，支架后柱的压力约为前柱压力的59.8%，据此可知近距离煤层采空区下开采，破碎顶板的载荷以静态为主，支架的主要受力集中于工作面煤壁侧，另外据此可知支架的后柱的支撑效率较低，在随后工作面推进过程中需加强对支架的管理作业。

3.2.2 液压支架载荷分布频度

根据矿压监测结果能够得出支架工作阻力分布频度图，在监测期间之间支架在8 月5 日和8 月20日时支架所受载荷较大，现对这两日的支架载荷分布频度分布进行具体分析，8 月5 日与20 日的支架载荷分布频度如图4 所示。

图4 液压支架支护阻力频度分布直方图

通过具体分析图4 可知，工作面回采期间支架的载荷基本分布在12～32MPa 之间，及液压之间的工作阻力在1772.6kN～4726.9kN 之间，富裕系数为9.1%～65.9%，工作阻力处于该范围的支架占到总数的60%，支架载荷下于12MPa 的占到总数的30%，支架载荷大于32MPa 的占到10%，故基于此可知液压的工作阻力总体比较富裕，在顶板压力较大时，支架的工作阻力基本与支架的初撑力4653kN 相持平。

根据上述分析可知，12#煤层的开采影响了下煤层81220 工作面的矿压规律，81220 工作面在在回采过程中压力显现趋于平缓，利于工作面的端头支护，工作面回采过程中液压支架工作阻力未超过额定工作阻力，且富裕系数较大，据此可知支架的选型合理，回采过程中支架适应性较好，但应加强回采过程中支架的管理作业。

4 结 论

通过建立近距离煤层采空区下液压支架的力学模型，得出了支架工作阻力及合理初撑力的表达式，结合81220 工作面的具体情况，计算得出支架的工作阻力P=5012kN，支架的初撑力P 初=2822.4kN，选择采用ZZ5200/25/47 型液压支架，根据矿压监测结果知，工作面回采过程中支架的工作阻力在1772.6kN～4726.9kN 之间，支架后柱的压力均小于支架前柱的压力，回采过程中支架的适应性较好，但同时应加强回采过程中支架的管理作业。