李国栋，曹启正，宋帅帅

(1.新疆大学 地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2.矿产资源生态环境保护性开采自治区教育厅普通本科高校重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830047；3.菏泽市应急管理局,山东 菏泽 274300)

0 引言

我国西部矿区煤炭储量极为丰富，煤层埋藏浅、赋存稳定、煤质好[1−3].许多学者针对浅埋煤层(埋深<150 m和薄基岩)顶板结构及岩层控制理论开展了大量研究，构建了典型浅埋煤层覆岩结构力学模型[4−5]，并揭示了浅埋煤层工作面顶板台阶下沉和结构滑落失稳机理，为浅埋煤层顶板岩层控制提供了理论基础.文献[4]、文献[6]以“关键层、埋深和基载比”为指标对“浅埋煤层”进行了科学定义，并通过建立浅埋煤层“台阶岩梁”和“短砌体梁”结构模型，得到了控制结构滑落失稳需满足的支护力大小；文献[7]、文献[8]研究了多煤层工作面厚关键层破断特征及矿压显现规律，发现工作面顶板双关键层破断具有大、小周期来压现象；文献[9]通过物理相似模拟实验，发现基于“等效直接顶”在采空区的充填程度，可进一步将双关键层结构划分为“斜台阶岩梁-砌体梁”和“双砌体梁”两种结构类型，得到了控制“斜台阶岩梁-砌体梁”结构稳定的支护阻力计算方法.由此可见，合理的液压支架支护阻力可有效避免工作面顶板台阶下沉和结构滑落失稳，保证工作面顶板安全.由于上述研究多集中在单一关键层或者“斜台阶岩梁-砌体梁”双关键层结构，而关于“双砌体梁”结构对工作面液压支架阻力影响的研究较少，本文以陕北榆神府矿区某矿42111综采工作面为研究背景，通过分析该工作面的矿压规律和合理支架阻力的确定，力求为该类综采工作面支架选型和顶板岩层控制提供借鉴.

1 工程背景

某矿井位于陕北榆神府矿区东北部，井田内地层近水平，基岩坚硬且厚度较小，构造总体为单斜构造，宽缓小型波状起伏局部发育，煤层平均埋深120 m.矿井生产实践表明，近浅埋采场矿压显现规律显著区别于普通深埋煤层.由于对停采时机和顶板来压机理掌握不准确，该矿井4−2煤层一盘区综采工作面曾在末采期回撤设备过程中，多台液压支架受到剧烈冲击载荷作用，支架支柱被不同程度压死甚至压断，工作面煤壁片帮致使刮板输送机超载严重甚至双链崩断，工作面无法正常运转，地面伴有明显的台阶下沉现象，采场来压时地表和工作面形态如图1所示.

图1 采场来压时地表和工作面形态Fig 1 Surface and working face morphology of overburden during roof weighting

4−2煤层一盘区42111工作面为该矿井典型的近浅埋煤层综采工作面，工作面平均采高3.08 m，日进尺：0.865 m/循环×20循环/天=17.3 m/天，工作面沿煤层倾斜方向布置，长度240 m，沿煤层走向推进，推进距离约为4 200 m，工作面上、下顺槽净断面宽×高=5.4 m×2.9 m，该工作面地层综合柱状图如图2所示.4−2煤层厚度2.9∼3.2 m，平均3.08 m，局部含0∼3层粉砂岩或泥岩夹矸，夹矸厚度0.05∼0.76 m，平均0.23 m.4−2煤层顶板：局部为0.1∼0.3 m厚的泥岩伪顶；直接顶为7.15 m厚的粉砂岩，具水平纹理及波状层理；……