李佳杰

（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司， 山西 寿阳 045400）

引言

要实现采场顶板有效控制，关键在于工作面支架—围岩协同关系的建立[1]。浅埋煤层条件下的大采高工作面控制效果、液压支架的合理工作阻力与覆岩运移规律和采场矿压显现规律是否协调，对工作面的顶板控制及回采效率存在极大的影响[2]。

我国众多学者在此研究领域作出了大量突出贡献，比如：宋选民、顾铁凤等[3]通过对上湾煤矿的试验及观测研究，发现大采高超长工作面来压步距减小，周期来压显现强度趋于缓和等浅埋大采高工作面矿压显现规律；范志忠、任勇等[4]通过研究发现浅埋大采高综放开采煤柱，受采动影响，应力呈不对称马鞍形分布，位于采空区侧的应力集中系数偏大；张宏伟、周坤友[5]等通过对浅埋大采高工作面矿压分布规律研究，确定了大采高液压支架的合理选型。

综合前人研究，基于悬臂梁理论模型，对某矿大采高工作面的液压支架进行选型，通过理论分析与计算支架的安全工作阻力范围，并通过现场实测验证支架的适用性。

1 工程背景

山西省某煤矿年设计生产能力为300 Mt/a，目前主采10号煤层，作为该煤层的首采工作面，平均埋深140 m，基载比小，属于浅埋煤层条件。工作面长200 m，推进长度800 m，煤层平均厚度（含夹矸）为4.2 m。煤层构造简单，内含两层0.3～0.5 m的泥岩夹矸。煤层直接顶由均厚8.5 m的泥岩、砂质泥岩组成，煤层老顶由均厚19.8 m的细砂岩、粗砂岩和粉砂岩共同组成。煤层底板由均厚10.7 m的泥岩构成。根据煤矿现有采煤机及配套设备，工作面采用一次采全厚采煤工艺，采高4.2 m。按照工程对比法，根据相邻矿井已有工作面液压支架参数，初步决定采用ZY8000-26/56D型四柱支撑掩护式液压支架，支架主要技术参数见表1。

表1 ZY8000/26/56D型液压支架技术参数

2 工作面覆岩力学参数的计算

为校核浅埋大采高液压支架参数合理与否，应对采场顶板的覆岩结构及工作面来压步距进行计算[6]。

2.1 覆岩结构参数

1）直接顶位于煤层上方，煤炭采出后形成采空区，由于自身岩重和上覆原岩应力的作用，由多层不稳定岩层组成的直接顶跨落充填空区，直接顶总厚度为∑Mz，可由式（1）确定：

式中：h为采高，5.0 m；Sz为老顶自由活动量，Sz=（0.1～0.3）h；Ka为直接顶岩石碎胀性系数，取 1.60。代入相关参数计算得，直接顶总厚度为7.0～7.5 m，由工作面地质资料可知，工作面直接顶由泥岩和泥质砂岩组成，岩层平均厚度为8.5 m。

2）基本顶总厚度∑Mj可根据基本周期来压规律确定，以式（2）表达：

式中：Lmin为工作面支架最小控顶距离，7.05 m；Qt为为顶板周期来压，取1.0 MPa；F为支架所受直接顶压力，经测量为0.8 MPa；γj为基本顶岩层岩石容重，取24 kN/m3；c为基本顶来压步距，取12 m。代入相关参数，计算得基本顶总厚度∑Mj为10.4 m，由工作面地质资料可知，工作面基本顶由细砂岩和粗砂岩组成，岩层厚度为10.4 m。

由上述计算结果可知，液压支架上覆载荷由0.5m的余煤、直接顶的自重和基本顶自重产生的力矩效果三部分构成。在载荷的作用下，液压支架响应力学作用，作出反馈动作，从而形成围岩—支架的相互作用，见图1。

图1 围岩—支架协同作用力学模型

2.2 工作面矿压规律

1）计算工作面初次来压步距L1时，当围岩体尚未受到采掘扰动破坏，假设工作面上覆基本顶为固定梁结构，则工作面初次来压步距以式（3）表达：

式中：hj为基本顶岩层厚度，取10.4 m；σj为基本顶抗拉强度，4 500 kPa；qj为基本顶载荷，254.8 kN/m。代入相关参数，计算式（3）得工作面初次来压步距L1为61.81 m。

2）受采动影响，当基本顶初次垮落后，假设工作面上覆基本顶为悬臂梁结构，则工作面周期来压步距Lt以式（4）表达：

代入相关参数，计算式（4）的工作面周期来压步距Lt为 25.23 m。

3 液压支架适用性的监测

为了检验ZY8000-26/56D型液压支架在浅埋大采高工作面的适用效果，对液压支架的受力进行监测。监测方案如下：在该矿的首采大采高工作面布置125台液压支架，分别在工作面的前中后布置测站，每个测站由4个测点组成，测点分别布置于23号、24号、25号、26号、63号、64号、65号、66号、105号、106号、107号、108号和109号液压支架，对液压支架的初撑阶段和恒阻阶段的受力进行监测。监测时间为60 d，工作面推进160 m。受篇幅限制，以中部支架的监测数据为例对工作面矿压分布规律展开分析，中部支架矿压分布规律见图2。

图2 中部支架矿压分布规律

由图2可知，中部四台支架的工作阻力曲线大致一样，工作面推进至60 m左右，工作面矿压规律表现为初次来压，此时，液压支架工作阻力为7428 kN。随后每隔25 m左右，工作面矿压规律表现为周期来压，液压支架的最大工作阻力为7 768 kN，是ZY8000-26/56D液压支架的额定工作阻力的97.1%。说明，支架的性能达到了液压支架正常工作时对顶板的控制标准。

根据监测结果，工作面各支架的初撑力实测结果如图3所示。

图3 工作面支架初撑力监测图

由图3可知，现场监测的工作面支架的实际初撑力均达不到ZY8000/26/56D液压支架的额定初撑力，初撑力范围为 5 400～6 000 kN（90%～100%额定初撑力）的液压支架有25台，占20.0%；初撑力范围为4 800～5 400 kN（80%～90%额定初撑力）的液压支架有76台，占60.8%；初撑力范围为5 400～6 000 kN（70%～80%额定初撑力）的液压支架有24台，占19.2%。说明有80.8%的液压支架初撑力满足设计要求，但是仍有少部分液压支架未达到初撑力设计要求，容易造成顶板离层破碎，使支撑能力丧失，为避免该类安全隐患的产生，应采取升柱过程中对立柱进行一定程度的补液、采用增压装置提升初撑力和独立提供液压油等措施，以提高液压支架初撑力。

结合覆岩结构参数计算结果和监测数据可以发现：

1）工作面顶板初次来压步距的计算结果为61.81m，周期来压步距的计算结果为25.23 m，与现场初次来压和周期来压步距的监测结果基本吻合；

2）支架的额定工作阻力为8 000 kN，现场监测结果表明大部分液压支架的工作阻力基本满足工作面回采中的控制要求；

3）中部支架的所承担载荷高于机头和机尾处的液压支架；

4）在液压支架的初撑阶段，必须采取一定的措施，保证液压支架提供足够的初撑力。

4 液压支架适用性效果

自ZY8000-26/56D型液压支架在浅埋大采高首采工作面使用以来，该型号液压支架能较好满足回采过程中上覆岩层对顶板的力学强度要求，在回采期间的来压，顶底板移近量较小；非回采期间，初次来压和周期来压时期，在工作面长度范围内，顶板控制效果良好，顶板破碎度控制在10%以内，平均下沉量仅为185 mm，避免了压架的安全隐患。说明该型号液压支架对该矿浅埋大采高开采条件适用性较高，有利于安全高产高效矿井的建设。

5 结论

1）该矿首采工作面的初次来压和周期来压计算结果分别为61.81 m和25.23 m，与现场实际检测结果相符；

2）ZY8000-26/56D型液压支架经现场监测发现，支架的工作阻力全部满足设计要求，80.8%的液压支架初撑力满足设计要求，在液压支架的初撑阶段，应采取一定的措施提高初撑力，保证顶板安全；

3）采用ZY8000-26/56D型液压支架后，顶板破碎度控制在10%以内，平均顶板下沉量185 mm，顶板控制良好。此研究证明了ZY8000-26/56D型液压支架的适用性较好。