深井厚煤层长工作面支护应力特性及分区协同控制技术.pdf

第4 6 卷第3 期 2 0 2 1 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．3 M a r ．2 0 2 1 深井厚煤层长工作面支护应力特性及 分区协同控制技术 王国法1 ’2 ，张金虎1 ’2 ，徐亚军1 ’2 ，任怀伟1 ’2 ，于翔1 ’。，刘新华1 ’2 ，张德生1 ’2 1 ．中煤科工开采研究院有限公司，北京1 0 0 0 1 3 ；2 ．煤炭科学研究总院开采研究分院，北京1 0 0 0 1 3 摘要加长工作面长度是智能高效长壁综采发展趋势，工作面长度加长后矿压显现一般会出现明 显变化，工作面围岩和液压支架的控制难度加大。采用现场实测和理论计算相结合的方法，针对淮 南口孜东煤矿千米深井长工作面开展了长工作面来压频率、来压峰值和来压范围的变化特性研究， 研究分析了该矿1 2 1 3 0 4 工作面支架受力特性及姿态变化特点，建立了基于弹性独立支座的液压支 架群组支护力学模型，发现了深井超长工作面支护应力特性，理论计算与实测具有较好的一致性， 在此基础上对1 4 0 5 0 2 工作面支护参数及控制技术进行了研究。结果表明随着工作面长度增加， 综采工作面支护应力由单峰值逐步转化为多峰值，并向两端头扩展，工作面不同区域来压具有明显 的时序性且强度区别较大等特点。深井围岩劣化 低强度顶板 增大了这种趋势，工作面长 度3 0 0m 即出现了超长工作面多峰值的特征。工作面支护应力出现“M ”型三峰值可作为超长工作 面的判据，合理工作面长度应综合煤层赋存条件、X - 作面参数和装备能力进行确定。根据液压支架 在空间和功能的不同属性，结合长工作面不同分区特点，揭示了超长工作面判据和群组分区协同控 制原理，提出了一种基于状态误差和代价函数的工作面装备群组协同控制方法，制定了“单架控制 - 组控制_ 群控制”三级协同控制策略和实现方法，可有效指导深井厚煤层超长综采工作面装备 群实现最优协调控制。 关键词长工作面；支护应力；千米深井；协同控制；三峰值 中图分类号T D 3 2 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 1 0 3 - 0 7 6 3 1 1 S u p p o r t i n gs t r e s sc h a r a c t e r i s t i c sa n dz o n a lc o o p e r a t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fl o n g w o r k i n gf a c ei nd e e pt h i c kc o a ls e a m W A N GG u o f a l 7 ，Z H A N GJ i n h u l ”，X UY a j u n l ”，R E NH u a i w e i l ”，Y UX i a n 9 1 ”，L I UX i n h u a l ”，Z H A N GD e s h e n 9 1 ’2 1 ．C C T E GC o a lM i n i n gR e s e a r c hI n s t i t u t e ，B e i j i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；2 ．C o a lM i n i n gB r a n c h ，C h i n aC o a lR e s e a r c hI n s t i t u t e ，B e i j i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a A b s t r a c t I n c r e a s i n gt h el e n g t ho fw o r k i n gf a c ei s t h ed e v e l o p m e n tt r e n do fi n t e l l i g e n ta n de f f i c i e n tf u l l ym e c h a n i z e d l o n g w a l lm i n i n g ．W h e nt h el e n g t ho ft h ew o r k i n gf a c ei sl e n g t h e n e d ，t h em i n i n gp r e s s u r ew i l lg e n e r a l l yc h a n g es i g n i f i c a n t l y ，t h a ti s ，i ti sm o r ed i f f i c u l tt oc o n t r o lt h es u r r o u n d i n gr o c ka n dh y d r a u l i cs u p p o r to ft h ew o r k i n gf a c e ．I nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h em e t h o do ff i e l dm e a s u r e m e n ta n dt h e o r e t i c a lc a l c p l a t i o n ，t h ec h a n g ec h a r a c t e r i s t i c so ff r e q u e n c y ， p e a kv a l u ea n dr a n g eo fw e i g h t i n go fl o n gw o r k i n gf a c ei n1 0 0 0md e e ps h a f to fK o u z i d o n gc o a lm i n ea r es t u d i e d ． 收稿日期2 0 2 0 1 2 1 5 修回日期2 0 2 1 0 3 0 3 责任编辑韩晋平D O I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．Y T 2 0 ．1 9 7 l 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 2 0 7 4 1 5 5 ，5 1 8 7 4 1 7 4 ；国家重点研发计划资助项目 2 0 1 7 Y F C 0 6 0 3 0 0 5 作者简介王国法 1 9 6 0 一 ，男，山东文登人，中国工程院院士。T e l O l O 一8 4 2 6 2 0 1 6 ，E m a i l w a n g g u o f a t d k e s j ．c o m 通讯作者徐亚军 1 9 7 1 一 ，男，安徽枞阳人，研究员，博士。T e l 0 1 0 8 4 2 6 2 1 0 9 ，E m a i l b j x u y z 1 2 6 ．C O B 引用格式王国法，张金虎，徐亚军，等．深井厚煤层长工作面支护应力特性及分区协同控制技术[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 1 ， 4 6 3 7 6 3 7 7 3 ． W A N GG u o f a ，Z H A N GJ i n g h u ，X UY a j u n ，e ta 1 ．S u p p o s i n gs t r e s sc h a r a c t e r i s t i c sa n dz o n a lc o o p e r a t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g yo f l o n gw o r k i n gf a c ei nd e e pt h i c kc o a ls e a r f l lJ1 ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 1 ，4 6 3 7 6 3 7 7 3 ． 移动阅读 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 B a s e do nt h ee l a s t i ci n d e p e n d e n ts u p p o r t ，t h em e c h a n i c a lm o d e lo fg r o u ps u p p o r ti sd e v e l o p e d ，t h ef o r c ec h a r a c t e r i s t i c s a n da t t i t u d ec h a n g ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es u p p o r ta tt h e1213 0 4w o r k i n gf a c eo ft h em i n ea r es t u d i e da n da n a l y z e d ．T h e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dt h ea c t u a lm e a s u r e m e n ta r ei ng o o da g r e e m e n t ．B a s e do nt h ea b o v em o d e l ，t h e1 4 0 5 0 2 w o r k i n gf a c es u p p o r t i n gp a r a m e t e r sa n dc o n t r o lt e c h n o l o g ya r es t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a ta st h el e n g t ho ft h ew o r k i n gf a c ei n c r e a s e s ，t h es u p p o r ts t r e s sg r a d u a l l yt r a n s f o r m sf r o mas i n g l ep e a kv a l u et oam u l t i p e a kv a l u e ，a n de x p a n d s t ob o t he n d so ft h ew o r k i n gf a c e ．T h ep r e s s u r ei nd i f f e r e n ta r e a so fw o r k i n gf a c ei sc h a r a c t e r i z e db yo b v i o u st i m i n ga n d g r e a td i f f e r e n c ei ns t r e n g t h ．T h ed e t e r i o r a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c ki nd e e pm i n e 1 0 ws t r e n g t hr o o f i n c r e a s e st h i s t r e n d ．W h e nt h ef a c el e n g t hi s3 0 0m ．t h em u l t i p e a kc h a r a c t e r i s t i c so fs u p e r l o n gw o r k i n gf a c ea p p e a r ．T h e “M ’’t y p e t h r e ep e a kv a l u ec a nb eu s e da st h ec r i t e r i o no fs u p e rl o n gw o r k i n gf a c e ．T h er e a s o n a b l ew o r k i n gf a c el e n g t hs h o u l db e d e t e r m i n e ds y n t h e t i c a l l yb yc o a ls e a mo c c u r r e n c ec o n d i t i o n ，w o r k i n gf a c ep a r a m e t e ra n de q u i p m e n ta b i l i t y ．A c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n ta t t r i b u t e so fh y d r a u l i cs u p p o r t si ns p a c ea n df u n c t i o n ．c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n t s u b a r e a so fl o n gw o r k i n gf a c e ，t h ec r i t e r i o no fs u p e r l o n gw o r k i n gf a c ea n dt h ep r i n c i p l eo fg r o u ps u b a r e ac o o p e r a t i v e c o n t r o la r er e v e a l e d ，ag r o u pc o o p e r a t i v ec o n t r o lm e t h o do fw o r k i n gf a c ee q u i p m e n tb a s e do ns t a t ee r r o ra n dc o s tf u n c - t i o ni sp u tf o r w a r d ，a n dt h et h r e e l e v e lc o o p e r a t i v ec o n t r o ls t r a t e g ya n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o do f “s i n g l es u p p o r tc o n t r o l - - m u h i p l es u p p o r tc o n t r o l - - ’g r o u pc o n t r o l ”a r ef o r m u l a t e d ．I tc a ne f f e c t i v e l yg u i d et h ee q u i p m e n tg r o u pf o rt h eS U - p e r l o n gf u l l ym e c h a n i z e dm i n i n gf a c ei nd e e pa n dt h i c ks e a m st oa c h i e v eo p t i m a lc o o r d i n a t e dc o n t r 0 1 ． K e yw o r d s l o n gw o r k i n gf a c e ；s u p p o r t i n gs t r e s s ；10 0 0md e e ps h a f t ；c o o r d i n a t e dc o n t r o l ；t h r e ep e a k s 随着煤炭高效开采技术的发展，我国煤矿综采工 作面在开采深度、横向尺度 包括工作面长度和推进 长度 和纵向尺度 主要指采高 3 方面空间尺度都不 断增加，煤炭开采深度正以1 0 ～2 5m ／a 的速度增加， 工作面长度由1 0 0 ～2 0 0m 逐步提升至3 0 0 ～3 5 0m ， 部分工作面长度达到了4 0 0m 以上。。。埋深与工 作面长度的增大使矿压显现出现显著变化，深井围岩 原生裂隙增多，长工作面来压频率增高、来压步距减 短并呈现工作面分区域来压等特点∞。7J 。文献[ 8 ] 基 于相似材料模拟和现场实测发现采场覆岩关键层的 破裂块度会随工作面长度增加而减小并会伴随主关 键层的来压。文献[ 9 ] 将高强度开采工作面 采高、 工作面长度大、推进速度快 简化为二维梁模型，得 出载荷层厚度、采高、工作面长度的增加导致基本顶 破断岩块的高长比增大，初次来压时基本顶岩块极易 发生滑落失稳是浅埋高强度开采矿压显现强烈的原 因。文献[ 1 0 - 1 2 ] 基于液压支架承载特性，建立弹性 独立支座的液压支架群组岩梁模型，推导出液压支架 对顶板支护应力场矩阵方程，给出相应的简化计算方 法。文献[ 1 3 ] 基于压力拱假说、应力壳理论和普氏 理论，建立了薄基岩厚松散层深部采场上覆岩层裂隙 带三维数值分析模型，定量分析了工作面长度对裂隙 带高度和支架阻力的影响。文献[ 1 4 ] 通过数值分析 和现场实测得出浅埋深长壁工作面上覆岩层中可形 成承压拱结构，且工作面存在临界长度，再加长工作 面对覆岩结构稳定性影响程度降低。文献[ 1 5 ] 提出 了一种充分考虑到采场几何及岩石力学参数的能量 模型，并与现场实测、理论模型及数值模拟结果对比， 得出模型可有效预测采场裂隙带高度。文献[ 1 6 1 7 ] 等通过对哈拉沟煤矿4 5 0m 超长综采工作面矿 压显现规律进行分析，得出工作面倾向压力分布呈 现w 型特征。不难发现，目前针对工作面面长方向 顶板断裂规律主要是基于实测数据对矿压规律进行 总结，结合数值模拟方法对其影响因素进行分析。 为进一步定量分析，笔者针对淮南新集口孜东 煤矿千米深井超长工作面顶板稳定性影响因素进 行了定量分析研究，通过1 2 1 3 0 4 ，1 4 0 5 0 2 两个工作 面的观测和矿压数据分析，基于弹性独立支座模 型，从理论上分析了液压支架群组支护应力分布特 性和深井厚煤层超长综采工作面来压特点，揭示了 超长工作面矿压影响因素。根据深井厚煤层超长 综采工作面支护应力分布规律，结合液压支架与围 岩耦合特性，提出了分区协同控制原理、方法与控 制策略，通过不同区域液压支架群组分区协同控制 提高液压支架适应性，为类似矿井智能开采工作面 顶板控制提供一种新方法。 1深井超长工作面矿压显现特征 淮南新集口孜东煤矿1 2 1 3 0 4 工作面煤层埋深约 10 0 0m ，煤厚2 ．2 ～6 ．7m ，平均5 ．1 8m ，工作面直接 顶为4 ．2 ～1 0 ．1m 的泥岩和砂质泥岩互层，硬度较 低；基本顶为硅质胶结的细砂岩，平均厚度5 ．0m 。 工作面长度3 5 0m ，采用大采高一次采全厚开采。工 作面采用Z Z l 3 0 0 0 ／2 7 ／6 0 D 四柱支撑掩护式液压支 万方数据 第3 期王国法等深井厚煤层长I 作面支护应力特性及分区协同控制技术 7 6 5 架支护，支架中心距17 5 0I l l m 。 1 ．1 模型分析计算 超长工作面液压支架群组支护应力分布规律可 以采用弹性支座模型进行分析⋯1 。如图l 所示，该 K 模型是将每个支架和工作面两端巷帮都视为一定刚 度的弹性体，基于岩梁变形协调条件，建立液压支架 刚度矩阵K 、单跨梁力矩M 和载荷Q 关系式0 1 K M Q 1 0 n n I n - 3 口 n1 。一2 o n 一1 。一1 C t n _ 1 ，l 0 n 。 n 一2 口n n I 口M 其中，K 为对称矩阵，系数n ，， a j i ，从第3 行到第n 一2 行，每行除对角线5 个元素非0 外，其余元素均为0 。 若将图1 转化为图2 所示离散型单跨梁，便可求解上 式中各值。图2 中工作面布置n 一2 架液压支架，液 压支架上方为均布载荷q ，支架中心距为日，K ，与K 。 为巷帮刚度，K ， i 2 ，3 ，⋯，n 一1 为液压支架刚度， ，M ，a K ．，K 以为两端岩梁刚度，M 。为各弹性支座处弯矩，s 为各支座位移量。1 1 『。 q K l 盈i 叠二兰盗二二匹配 图1液压支架群组弹性支座模利“ F i g ．1 M o d e lo fp o w e r e ds u p p o f lr e g a r d e da se l a s t i cs u P P o r t [ 1 1 1 F i g ．2 B e a mm o d e lo fd i s e r e t es i n g l e s p a n _ 1 l _ 若支架上方顶板岩层厚度无变化，支架上方岩梁 】1 旦芝 卫一垫 旦 惯性矩都为，，各支座处弯矩为M 。，支座下沉量为S i ， 2 1 2 E l 2 K -K zK ，’ 由图2 可以求解K ，Q 中相关系数弘1 9 1 为 I b 巫 卫一垫 卫 】BK ． K ， 1 2 E l K i lK iK i 1 ’ ㈨1 K 创。3 E I 。K lK 2 B 2 ’ 一巫 卫一且 卫 l ；121 ““一1 1 2 E l K 。一2K ，，一l2 K 。’ ％2 6 E l K 1 8 2K 2 8 2 ’O 1 3 一K 2 B ” 一巫 卫一卫 2 B1 4 11 ”2 4 E ，K ，l2 K n ％2 面 乏≯ K i B 2 i 万’n h - 『f _ 2 2 K , , _ 2 8 2 ’ 下面利用上述模型计算口孜东煤矿1 2 1 3 0 4 工作 B21 面液压支架群组支护应力分布特性。计算参数如下 n m z ⋯2 面一面一K ， 采高．，支架刚度o ．，顶板岩层厚度 ‰，，上 黑 豫n 0 ，2 工5 作5 面m 开采初期，液压4 支8 架G N 等／成m 套设备布置在工 ％Ⅲ一K 0 2 ％ 丽’ 作面≯裟篙篙黧言篙妻 6 l 22 丛4 E I 一叠 惹’ 笮搿，嚣妻熹篇常戮蝴O O 触。她 阢如阢一m．”” 、；4 n M M M M ；0 M “ Ⅱ 5 5 3 4 o o M 弘 甜 o Ⅱ o l，■ 3 ●， o o o o 2 2 2 2 2 3 4 o n o o 1 2 3 n n o 万方数据 7 6 6 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 作面巷帮视为刚体，计算结果如图4 ，5 所示 图5 为 工作面液压支架群组支护应力正视图，即工作面支护 应力在煤壁方向上的投影 。由图4 ，5 可知，支护应 力有A ，B ，c 三个峰值点，其中，A 点位于工作面 1 0 1m 处，日点位于工作面中部，C 点位于工作面 2 4 9m 处，／4 ，B 点的支护应力为1 ．3M P a ，C 点的支护 应力为1 ．2 6M P a ，A ，C 点峰值略高于B 点，整个应力 峰值两端高中间低，形状为马鞍形，类似字母“M ”，下 文将该现象统称为三峰值M 型。 为了便于理解液压支架群组支护应力在整个工 作面的分布特性，将图4 中支护应力与工作面液压支 图3 工作面开切眼后及开采初期顶板固支模型 F i g ．3 R o o fi s i naf i x e ds u p p o r 【s t a t ea f t e rt h eo p e n i n go f m i n i n gf a c ea n da tt h ei n i t i a ls t a g eo fm i n i n g 嘣 山 茎 ≥ 、 毯 - 蚁 叠 要j 霎8 似0 图4 液压支架支护应力场 刚体 F i g ．4S u p p o s i n gs t r e s sf i e l do fp o w e r e ds u p p o r t r i g i d b o d y 商 山 羔 R 毯 霸 似 l4 l2 0 5 01 0 015 02 0 02 5 03 0 03 5 0 工作面位置／m 图5液压支架支护应力场正视图 刚体 F i g ．5 F r o n tv i e wo fs u p p o r t i n gs t r e s sf i e l d r i g i d b o d y 图6 液压支架群组支护应力分布示意 刚体 F i g ．6S u p p o r t i n gs t r e s s f i e l do fp o w e r e ds u p p o r tg r o u p s r i g i d b o d y 架群组结合起来，同时将图4 中各坐标数值按一定比 例显示，得图6 工作面液压支架群组支护应力在工作 面液压支架上的分布特性。 工作面煤层开挖后，上覆岩层有了断裂、垮落及 回转运动的空间，工作面沿走向和倾向方向岩梁都将 会发生相应的运移。此时工作面存在图7 所示简支、 弹性支座和弹性固定端等不同方式。 若将巷帮视为刚度3 0G N ／m 的弹性体，其余计 算参数不变，液压支架群组支护应力分布特性如图 8 ～1 0 所示。由图9 可知，A 点位于工作面7 7m 处， B 点位于工作面中部，C 点位于工作面2 7 3m 处。 对比图5 和图9 可知，随着巷帮刚度降低，支护 应力最大峰值A 点由原来的工作面1 0 1m 处移向 7 7m 处，最大峰值B 点由原来的工作面2 4 9I n 处移 向2 7 3m 处，液压支架应力峰值逐渐向两端扩展，工 图7 工作面正常开采阶段工作面走向和倾向顶板垮断 F i g ．7 R o o fc o l l a p s es t a t eo fm i n i n gf a c ei nn o r m a l m i n i n gs t a g e 作面更多的支架位于高压力区。综合图2 ～1 0 可知， 超长工作面液压支架支护应力呈现马鞍形三峰值 “M ”型特性，且液压支架大部分区域都位于高应力 区。 万方数据 第3 期王国法等深井厚煤层长工作面支护应力特性及分区协同控制技术 7 6 7 日 山 茎 R 毯 霸 蚁 图8 液压支架支护应力场 弹性体 F i g ．8S u p p o s i n gs t r e s sf i e l do fp o w e r e ds u p p o r t e l a s t o m e r 矗 凸_ 茎 R 倒 墨 捌 1 ．斗r 1 4r r j 『r 。一 1 ．2L _ 一z 孵 帮- - 翳 } } f l t 孵暑秆睦 卫B 孵卿i 研嚣群羽j 翠孵v 黟i 卜 叠1 ．0 至o s 崔0 ．6 蠹0 4 0 2 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 工作面位置／m 图9 液压支架支护应力场正视图 弹性体 F i g ．9 F r o n tv i e wo fs u p p o r t i n gs t r e s sf i e l d e l a s t o m e r 图1 0 液压支架群组支护序f 力分布示意 弹性体 F i g ．1 0S u p p o r t i n gs t r e s sf i e l do fp o w e r e ds u p p o r 【g r o u p s e l a s t o m e r 1 ．2 实测结果 对1 2 1 3 0 4 工作面液压支架工作阻力进行在线监 测，在工作面上下端头、9 号和1 8 9 号支架、中上部4 0 号和8 0 号支架、中下部1 3 0 号和1 6 0 号支架及中部 1 0 0 号支架布置7 条测线，图11 a 为7 条测线沿工 作面推进方向支架工作阻力实测数据，图11 b 为不 同推进度时液压支架工作阻力沿工作面长度方向5 个剖面 推进度分别为1 5 5 ，1 6 5 ，1 7 6 ，1 8 6 ，1 9 8i n 的 实测值及分布趋势。由图1 1 可知，工作面不同区域 来压具有明显的时序性且强度有差别，来压步距 1 5 ～2 5m ，中部来压步距相较两端头略小。一般是工 作面中部区域先来压，两端头则相对滞后；特别是工 作面中部区域，来压频率较高、周期性不明显。由工 作面较长，液压支架不同区域压力值具有明显差异， 呈现出类似“马鞍形”的分布趋势，与上述理论计算 结果具有较好的一致性。 2 7n l 采高工作面支护应力分布特性 2 ．1 工作面煤层条件 1 4 0 5 0 2 工作面开采5 煤，煤层结构简单，全区可 采，平均煤层厚度6 ．5 6I T I 。顶、底板以泥岩为主，少 数为细砂岩、粉砂岩及砂质泥岩。直接顶为泥岩，平 均厚度2 ．8 1m ，基本项由粉砂岩和砂岩组成，粉砂岩 厚度7 ．6 5m ，砂岩平均厚度1 3 ．8 5m 。直顶底泥岩， 平均厚度1 ．6 2m ，基本顶为粉砂岩和砂岩互生，平均 厚度5 ．5 6m 。煤层倾角8o ～1 5 。，平均1 4 。。工作面 Z 羔 _ R d 世 L J 球 - 蚁 图11液压支架工作阻力实测曲线 F i g ．11W o r k i n gr e s i s t a n c eo th y d r a u l i cs u p p o r t 部分区域走向倾角1 7 。。 2 ．2 深井液压支架支护强度确定 1 4 0 5 0 2 工作面采用一次采全高俯采方法进行开 采，最大采高7m 。由于煤层埋藏深、采高大、煤层松 万方数据 7 6 8 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 软，液压支架合理选型是决定工作面能否安全高效开 采的关键。鉴于淮南矿区长期使用习惯，液压支架采 用四柱支撑掩护式，该架型笔者已有专文论述【2 ‘“，这 里不再赘述。下面主要介绍液压支架所需合理支护 强度的确定方法。笔者曾对山东唐口煤矿千米深井 工作面液压支架所需支护强度进行过研究。2 1 I ，发现 采用式 2 计算深井工作面液压支架所需支护强度 比较合理。 ．． ，r P 2 ．7 5 哕 了坐』_ 2 n l 其中，P 为支护强度；哕为耦合因子；y 为岩石容重；肘 为采高；K 。为岩体碎胀系数。该公式是在目前基于 采高岩柱容重估算液压支架支护强度公式基础上加 上耦合因子哕，耦合因子哕可通过式 3 进行求解 ，耵一1 1 f 。1 l 了7 7 E 。 毕3 E l M d 2 c o s a f 卜即。8 E 。e “。 3 式中，f 为顶梁长度；叼为液压支架和煤体刚度比；E ， 为煤壁弹性模量；E 1 为单位宽度顶板岩梁抗弯刚 度；M 为采高；O l √E 。／ 4 E I M ，卢 √E ／ 4 E ，M ； 其中E 。、为液压支架弹性模量。 不难发现耦合因子哕是与液压支架刚度、顶板 岩性、煤壁硬度有关的物理量，若将支架和煤壁视为 刚体，则哕 0 ，液压支架与围岩解耦；若将支架和煤 壁视为弹性体，则哕≠0 ，液压支架与围岩建耦。易 知，式 3 很好地描述了液压支架与围岩刚度耦合关 系。计算参数如下。22 j 煤层弹性模量3 0G P a ，岩石密 度2 ．7t ／m 3 ，碎胀系数1 ．3 5 ，最大采高7m ，顶梁长度 5m ，支架中心距1 ．7 5m 。由液压支架与围岩刚度耦 合公式液压支架所需支护强度曲线如图1 2 所示。 ≥斗 。 图1 2 液压支架所需支护强度 F i g ．12S u p p o r t i n gi n t e n s i t yo fp o w e r e ds u p p o r t 图1 2 中蓝色直线是根据9 倍采高岩柱质量得出 的液压支架所需支护强度为1 ．4 8M P a ，黑色曲线是 基于液压支架与围岩刚度耦合理论得出的液压支架 所需支护强度。易知液压支架所需支护强度与顶板 岩性、煤层厚度、煤层岩性、支架刚度密切相关，传统 计算方法结果偏小。由于液压支架刚度比煤层刚度 低。2 3 。1 4 。，易知液压支架所需支护强度应不低于 1 ．7M P a 。据此确定Z Z l 8 0 0 0 ／3 3 ／7 2 D 四柱支撑掩护 式支护强度1 ．7 3 ～1 ．7 8M P a 。 2 ．3 液压支架群组支护应力分布规律 由于随着采高加大，液压支架支护应力也随之提 高，工作面矿压显现加剧，确定合理的工作面长度就 成为1 4 0 5 0 2 工作面研究重点。与1 2 1 3 0 4 工作面相 比，1 4 0 5 0 2 工作面最大采高达到7m ，同时基本顶厚 度相对较厚。计算参数如下采高7m ，支架刚度 0 ．6G N ／m ，顶板岩厚2 1m ，岩石容重2 7k N ／m 。。 图1 3 分别为工作面长度2 4 0 ，3 0 0 ，3 5 0m 时液压 支架群组支护应力。 垂； RI 翮 囊i 辩 3 0 0 C 1 ．] 作面长度3 5 0 m 图1 3不同工作面长度液压支架支护应力场 F i g ．13S u p p o r t i n gs t r e s sf i e l do fp o w e r e ds u p p o r tg r o u p so n t h ed i f f e r e n tm i n i n gf a c el e n g t h 由图1 3 可知，随着工作面长度加长，液压支架群 万方数据 第3 期王国法等深井厚煤层长工作面支护应力特性及分区协同控制技术 7 6 9 组支护应力开始由单峰值向多峰值转化。工作面长 度2 4 0m 液压支架群组支护应力为单峰值；工作面长 度3 0 0m 液压支架群组支护应力开始出现马鞍形三 峰值“M ”型；工作面长度3 5 0I l l m 时马鞍形更加明 显，且支护应力峰值开始向工作面两端扩展。不难发 现，采高对工作面液压支架群组支护应力分布特性影 响较大，鉴于此，将工作面长度确定为3 0 0m 。 3 深井厚煤层超长工作面特性与判据 3 ．1 深井厚煤层超长工作面特性 1 工作面支护应力与端头条件关系。图1 4 a 为采高7m ，工作面长度2 4 0m ，其他条件不变，将工 作面两端巷帮由刚体改为刚度为3 0G N ／m 的弹性体 后液压支架群组支护应力，其液压支架群组支护应力 为三峰值“M ”型。对比图1 3 a 可以发现，随着工作 面两端头巷帮刚度减弱，液压支架群组支护应力开始 由单峰值向三峰值“M ”型转化，更多的支架位于高应 力区，说明工作面支护应力分布与两端头巷帮条件密 切相关。易知，相同条件下，巷帮条件越弱，工作面支 护应力越容易出现三峰值“M ”型。 2 工作面支护应力与顶板岩性关系。图 1 4 b 为采高7m ，工作面长度3 0 0m ，其他条件不 变，将顶板弹性模量调整为5 5G P a 后液压支架群组 支护应力，其液压支架群组支护应力为单峰值。对比 图1 3 b 可知，随着顶板岩性减弱，液压支架群组支 护应力开始由单峰值分布向三峰值“M ”型分布转化， 更多支架位于高应力区，说明工作面支护应力分布规 律与上覆岩层顶板岩性密切相关。易知，相同条件 下，顶板岩性较弱，工作面支护应力越容易出现三峰 值“M ”型。 3 工作面支护应力与基本顶厚度关系。图 1 4 C 为采高7i n ，工作面长度3 0 0m ，其他条件不变， 基本顶厚度由2 1m 增加到3 0m 后液压支架群组支 护应力，其液压支架群组支护应力为单峰值。对比图 1 3 b 可以发现，随着基岩厚度变薄，液压支架群组 支护应力开始由单峰值分布向三峰值分布转化，更多 支架位于高应力区，说明工作面支护应力分布规律与 上覆岩层基岩厚度密切相关。易知，相同条件下，上 覆岩层基岩越薄，工作面支护