基于覆岩破坏层次化效应的综放工作面支架工作阻力确定研究

张学亮

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京100013)

[摘要]分析了微震监测结果与工作面矿压显现之间的相互关系，认为覆岩的破断存在层次化分布，提出了“近-远场层次化效应模型”，分析认为近场岩层对确定综放支架工作阻力至关重要，给出了基于覆岩破坏层次化效应的综放工作面支架工作阻力确定的相关公式及参数确定方法。

[关键词]层次化效应；工作阻力；综放工作面

[中图分类号]TD355.4[文献标识码]A

[收稿日期]2014-07-31

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.026

[基金项目]“十二五”科技支撑计划项目(2012BAB13B02-02)；天地科技股份有限公司

[作者简介]张学亮(1984-)，男，山东临朐人，硕士，助理研究员，主要从事矿山压力与岩层控制及采煤方法等方面研究。

Working Resistance of Full-mechanized Top-coal Caving Face

Based on Layering Effect of Overlying Rock

ZHANG Xue-liang

(Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Abstract:By analyzing the relationship between micro-seismic monitoring result and underground pressure behavior of mining face, It was found that breakage of overlying rock had layering distribution characteristic."near-far field layering effect model"was set up and it was believed that near filed rock strata was important for confirming working resistance of top-coal caving powered support.Corresponding formula of calculating working resistance of top-coal caving powered support which was based on layering effect of overlying rock was put forward.

Keywords:layering effect; working resistance; full-mechanized top-coal caving face

[引用格式]张学亮.基于覆岩破坏层次化效应的综放工作面支架工作阻力确定研究[J].煤矿开采，2015，20(1)：89-91，98.

综放工作面液压支架工作阻力的确定是综放开采设备选型配套及安全开采的核心问题，针对该问题，我国学者展开了一系列的研究。文献认为传统的采高倍数方法确定支架载荷已不适用，提出了确定综放支架工作阻力的基本原则。文献在总结30多个综放面实测支架最大载荷与煤层硬度系数、采深以及顶煤厚度的关系，得到回归公式：Pmax=1939+21H+471f+155/Md，并在此基础上取1.2～1.35的安全系数确定支架额定支护阻力。文献采用了反分析数值模拟法，以回采矿压显现特征来确定数值计算模型，通过数值模拟来确定支架工作阻力。文献则提出了建立在支架与围岩相互作用关系基础之上的数值分析方法，采用FLAC3D进行计算分析，以液压支架顶板下沉量、顶煤压缩量控制作用减少时(拐点)的支护强度为最低支护强度，并考虑动载影响，提出以采空区充填程度确定动载系数：1.0(完全充填)、1.1~1.3(不完全充填，但大于割煤高度)、≥1.4(不完全充填，小于割煤高度)。文献研究了综放开采支架工作阻力不唯一性及其原因。文献研究了一般综放采场顶板结构与支架工作阻力的相互关系，给出了3种情况下的定量表达式。文献在分析经验估算法、现场实测法、垮落带法、砌体梁结构分析法等方法的基础上，给出了综采支架工作阻力确定的研究方向。

目前综放开采的煤层厚度已达14～20m，液压支架工作阻力多在10000kN以上，有的甚至达到21000kN，但在开采过程中仍然出现支架被“压死”等现象，综放支架工作阻力的确定遇到了新的问题。文献和文献研究了塔山煤矿大采高综放开采，一次开采煤层厚度15m左右的支架与围岩关系，通过现场实测和微震监测覆岩破坏，给出了合理的支架工作阻力确定方法。

如前所述，经典的采高倍重法已不再适用，对研究人员来说，可以采用更加复杂的公式进行计算或采用数值模拟方法进行分析，但对于现场人员来说，这些方法需要的参数多且参数确定困难或难以掌握，急需一种更实用的方法确定综放支架工作阻力。本文以平朔井工三矿综放支架工作阻力确定为实例，在归纳分析的基础上，试图给出一种适合现场的简洁实用的综放开采支架工作阻力确定方法。

1现场概况

平朔井工三矿位于山西朔州平鲁区井坪镇，该矿9107工作面开采石炭系上统太原组9号煤，煤厚平均12.22m，煤层倾角5～14°，采用综放开采，机采高度3.5m，采用ZF10000/23/37型支架，工作面长度300m。工作面埋深70～183m，地表为黄土丘陵，沟谷发育，切眼附近埋深70～110m。直接顶为砂质泥岩，平均7.72m，基本顶为粗砂岩，平均14.21m，直接底为细砂岩，平均3.37m，基本底为泥岩，平均4.73m。

表1给出了煤层及其顶板直至较厚的粗粒砂岩层的厚度、密度及抗压强度参数[10]。

表1　岩层及物理性质

2矿压显现及覆岩破坏规律

在9107工作面采用KJ21矿山压力监测系统对矿压显现数据进行记录，支架立柱压力每变化1MPa记录一个数据，共监测20个支架。以支架平均循环末阻力与均方差之和作为顶板来压的判据，得到工作面基本顶初次来压步距22.5～44.4m，平均33.6m，周期来压步距11.2～30.4m，平均20.7m。观测期间监测到65号，125号，135号，155号支架在175个采煤循环过程中安全阀分别开启5次、9次、5次、7次，安全阀开启率为3.7%，监测得到支架最大工作阻力为12821kN[11]。

采用微震监测方法监测覆岩的破坏规律，通过微震监测开采过程中微震事件能量、频次及发生位置等参数来分析煤岩应力分布和覆岩空间破坏特征[12]。选取2012年7月14日至2012年9月8日所监测到的所有微震事件，将其在走向剖面上进行投影，结果如图1所示。

图1　微震事件揭示顶板垂直破裂特征

由图1可知，在垂直方向上，微震事件的分布规律揭示了低位岩层垮落区和高位岩层断裂区的分布范围。在低位岩层垮落区，微震事件分布较为密集，中等能量的事件较多，分布规律不明显。

在高位岩层中，高能量的微震事件显著增多，且事件出现具有明显的周期性，反映了顶板的周期性运动。从微震分布的数据来看，当工作面推进距离超过83m后，在基本顶坚硬岩层上方距煤层约80m范围的区域，开始出现了较为密集的微震事件，多为小能量的微震事件。该区域与地表层邻近，由此判断，工作面裂缝带高度已发育至地表。

从微震监测结果可见，垮落带高度为40m左右，裂缝带高度与地表沟通。

将连续时间段内的微震监测数据与工作面矿压监测数据进行对比分析，以天为单位，将微震事件总能量和矿压数据的加权工作阻力绘成图2所示曲线。

图2　微震事件能量与支架阻力关系

由图2可知，微震事件及能量的突然增大一般都超前于来压剧烈显现时刻。能量最大的一次事件发生在8月3日，而工作面大部分支架的加权阻力在8月4日达到了最大值，工作面全面来压，标志着基本顶的初次来压。之后，随着微震事件能量峰值的出现也伴随着周期来压的显现。利用微震事件频次和能量的增加可以间接预测周期来压的出现。

3近-远场层次化效应模型

分析覆岩的垮落与工作面的支架压力之间的关系，认为覆岩的破断存在层次化分布，而工作面支架的最终受力是由发生层次化破断的近场岩层——直接顶、远场岩层——基本顶及其上覆岩层载荷将其重力或其重力的一部分传递至工作面支架所致，称其为矿压显现的“近-远场层次化效应”模型，模型如图3所示。

图3　近-远场层次化效应理论模型

结合微震监测的结果来说，近场是指微震事件密集而能量级别较低的顶板区域，远场是指微震事件较少，但能量级别较大的顶板区域外侧，分界线为能量级别较大的顶板区域，近场及分界线岩层对工作面支架的受力影响最大。

对于浅埋深条件下，远场还应考虑之上的微震事件密集能量级别较低的区域。这两部分顶板岩层或由近场岩层单独起作用或近场岩层与分界线岩层联合起作用，从而引起工作面矿压显现的不同规律效应。

就9107工作面来说，其微震监测得到的上覆岩层的微震时间分布如图1所示，按照近-远场理论进行划分可得到近场覆岩高度与能量级别较大的微震事件岩层高度一致，结合工作面的矿压显现实际，分析认为此时工作面的压力显现主要考虑该部分及以下岩层的作用。

基于微震监测得到覆岩破坏高度，可以以此估算支架“近场”范围的岩层如表1中2～11层。考虑8.72m顶煤作用，据此可以估算支架承受的载荷为1.48MPa(包括分界岩层)，考虑控顶距5.15m，支架宽度1.5m，计算此时支架工作阻力为12703kN(支撑效率取0.9)；仅考虑顶煤及近场岩层，计算得到支架承受的载荷为1.07MPa，此时支架工作阻力为9184kN(支撑效率取0.9)，根据矿压监测结果分析，此计算结果的偏差在10%左右，说明其工程应用是可行的。

就此例来说，由于具有微震监测结果的对比，可以快速地确定近-远场的划分，对于没有监测的矿区该如何准确的确定。文献[13]分析了库茨涅佐夫在相似模型试验基础上，提出直接顶垮落高度分2层，为垮落高度和不规则垮落高度，给出了我国部分综放工作面直接顶垮落状况，如表2所示，表中给出了部分放顶煤工作面采空区直接顶垮落高度的实测值，经过分析得出，垮落带高度平均为煤厚的2.21倍，变动在1.83～2.67倍之间，不规则垮落高度为煤厚的1.12倍，变动在1.00～1.46之间。即应该考虑的直接顶垮落高度为3.33倍的煤层厚度，此部分可以考虑为近场岩层，并考虑10%富裕系数。

表2　我国部分综放工作面直接顶垮落状况统计

经过上述分析，得到基于覆岩破坏层次化效应的综放工作面支架工作阻力确定的公式：

F=1.1(Mdγ煤+kMγ顶)(lk+ld)B/η

式中，F为支架工作阻力，kN；Md为顶煤厚度，m；γ煤为煤的容重，kN/m3；k为系数，取3.33；M为煤层厚度，m；γ顶为顶板岩层的容重，kN/m3；lk为空顶距(梁端距)，m；ld为顶梁长度，m；B为支架中心距，m；η为支架支撑效率，取0.9。

9107工作面煤厚12.22m，按3.33倍考虑近场岩层为40.6926m，则估算：

F=(8.72×14.5+40.6926×22)×5.15×1.5×1.1/0.9=9646(kN)

与实际应用的10000kN非常吻合。

以塔山矿为例，工作面采高3.5m，放煤高度11.5m，煤厚15m，工作面采用ZF13000/25/38型支架。根据模型确定的原则，估算支架工作阻力：

F=(11.5×1.4+15×3.33×(22~24))×5.5×1.75×1.1/0.9=13117~14292(kN)

工作面采用的支架工作阻力略有不足。现场实际监测结果表明，支架平均工作阻力为9000~12000kN，最大工作阻力在13000kN以上，来压期间的平均工作阻力为10102~13000kN，来压情况下，支架安全阀开启较为频繁，支架额定工作阻力不能满足开采期间工作面支护工作的需要。后期，

塔山煤矿更换支架为ZF15000/28/52型。

4结论

(1)提出综放覆岩破坏存在层次化效应，在覆岩破坏的层次化效应模型的基础上进行覆岩破坏与综放支架的相互关系研究，认为可以基于覆岩破坏的层次化效应进行综放支架工作阻力确定研究。

(2)得到的基于覆岩破坏层次化效应的综放支架工作阻力确定公式为：F=1.1(Mdγ煤+kMγ顶)(lk+ld)B/η。

(3)通过对平朔井工三矿9107和塔山煤矿综放工作面支架工作阻力的计算对比，结果表明上述方法确定综放工作面支架工作阻力可行。

综上，基于覆岩破坏层次化效应的支架工作阻力确定方法更便于现场人员快速准确地确定支架的合理工作阻力，具有较强的实用性。

[参考文献]

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[13]史元伟，宁宇，齐庆新.综采放顶煤工作面岩层控制与工艺参数优选.徐州：中国矿业大学出版社，2006.

[责任编辑：徐亚军]