特厚煤层支架工作阻力适应性研究_刘华军.pdf

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 ） 摘要 本文以斜沟煤矿斜沟煤矿 23110 工作面综放开采为背景， 对该面回采期间液压支架的适应性 进行研究，通过现场实测与理论分析的方法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， 得出液压支架工作阻力的计算方法。结果表明 特厚煤层工作面后方覆岩垮落 空间大， 回采过程中会形成下位 “倒台阶” 悬臂梁、 上位砌体梁的结构； 23110 工作面液压支架的工作 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。 关键词 特厚煤层； 覆岩结构； 矿压显现； 支架阻力 中图分类号 TD355文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 05- 0042- 03 Study on Adaptability of Working Resistance of Extra Thick Coal Seam Support LIU Huajun （Shanxi Xishan JinXingenergyco., LTDXiegou Mine ， Xingxian 033602 ， China ） AbstractIn this paper, with the background of the fully mechanized top coal caving in the 23110 working face of the Xigou Coal Mine in Xigou Coal Mine, the adaptability ofthe hydraulic support during the mining ofthe face was studied, and the fully mechanized top coal caving face in the extra- thick coal seam was covered by field measurement and theoretical analysis. The mechanical characteristics of the rock roof during the oncoming and non- coming periods are analyzed, and the calculation of the working resistance of the hydraulic support is obtained. The results show that the overlying rock collapse space behind the working face of the extra- thick coal seam is large, and the structure of the lower “inverted step“ cantilever beam and upper masonry beam will be ed during the mining process. The working resistance of the hydraulic support of the 23110 working face is higher than 17979kN. Avoid instability and fall of the overburden masonry beam structure, and ensure the safe mining of the 23110 fully mechanized caving face in the inclined trench coal mine, otherwise the instability and fall of the masonry beam structure will cause the support to bear a working resistance of not less than 21846kN, increasing the pressure ofthe support. risk. Keywords Extra- thick coal seam； Overburden structure ； Underground pressure ； Stent resistance 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 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 42 ChaoXing 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 LihiRTi/3qi ■ （1） 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。 GiLibhi（2） 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 xiLi 2 ， 进一步可得到支 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 Fcγmhmbld k lr n i1 ∑Gixi （3） 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 Fj 2- ltan （φ- θ） 2 （h- s ） []Q0b （4） 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 F γhld 2- ltan （φ- θ） 2 （h- s ） []Q0｛｝b （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 223110 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 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 43 ChaoXing （上接第 41 页） [6] 王新琨.强突出煤层群储层联合改造技术[J].煤矿安全, 2014,45 （09） 75- 78. 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