刘洪涛，韩 洲，韩子俊，杨志华，何维胜，王斯晨，罗紫龙

（1.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100083；2.宁夏煤炭科学技术研究所有限公司，宁夏 银川 750000；3.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司 羊场湾煤矿，宁夏 银川 750011）

随着煤矿矿山装备技术的快速发展，所研制的大采高液压支架能够有效保证工作面的正常生产，然而随着厚煤层工作面的开采，工作面受到上覆岩层破断的干扰，使得工作面矿压显现强烈，给煤矿液压装备以及人员造成严重威胁。近年来我国学者对工作面上覆岩层结构做了大量的研究[1-9]，文献［10］运用理论分析、现场实测得出多煤层中间厚关键层在矿山压力和自身弱面结构影响下将以分层方式垮落;文献［11-12］运用现场实测、数值模拟相结合的方法提出大采高采场顶板易形成“短悬臂梁-铰接岩梁”结构,以及大采高综采支架工作阻力的计算公式；文献［13］运用相似模拟、理论分析、数值模拟得出覆岩运移具有很强的时空观, 同一层位的岩层随推进时步增加垂直位移近似成“Z”字形分布；顶板塑性区的破坏范围与推进度保持同步协调关系,扩展空间由下及上,破坏深度由表及里,影响时间由短变长；文献［14］通过构建了“煤壁-支架-顶板”的力学模型, 分析煤壁压力与支架工作阻力的关系得出煤壁稳定性与支架的关系。

羊场湾煤矿地质条件较为特殊，其工作面上方3 m 处有18.4 m 厚的中粒砂岩层，对此深埋煤层大采高工作面上覆岩层破断的理论依旧不完整.因此，通过理论分析、相似模拟、现场观测等手段，针对羊场湾煤矿160206 工作面深埋厚煤层上覆岩层破断规律与液压支架工作阻力进行分析。

1 工程背景

160206 工作面位于羊场湾煤矿一号井井田中西部，地表为沙丘覆盖，地形低缓平坦，起伏不大。二层煤伪顶岩性为炭质泥岩，直接顶岩性为粉砂质泥岩，基本顶为中粒砂岩、细砂岩，直接底为泥质粉砂岩、细砂岩。160206 综放工作面距地面垂直深度为533～651 m，平均592 m，北以160206 工作面1#切眼为界，南以16 采区北翼回风下山为界，工作面上邻120212 工作面采空区和160204 工作面采空区，均留设30 m 煤柱，下部为原始煤层未进行采动。工作面长度为227 m，开采煤层厚度为9.13～9.4 m，平均9.3 m，煤层倾角为0°～11°，平均5.5°。160206 工作面采用走向长壁后退式放顶煤采煤法开采，采高为4 m，放顶煤厚度5.3 m。

2 相似模拟覆岩结构破断

为了准确得到160206 工作面覆岩结构与液压支架的准确关系，以160206 工作面为背景，几何比例为1∶200，构建模型，模型长宽高分别为1 800 mm×160 mm×1 300 mm。模拟随工作面不断推进上覆岩层的破断规律。

相似模拟模型随着工作面推进至120 m 时基本顶初次垮落，是由18.4 m 厚的中粒砂岩亚关键层控制着上部两岩层4 m 厚粉砂岩和2 m 厚煤层同时垮落，对160206 工作面造成强烈的矿压。

工作面推进至120 m 时，直接顶连同上部两岩层形成砌体梁结构、直接顶形成悬臂梁结构，并随着工作面的推进这种结构是一直存在的。

羊场湾煤矿由于其独特的覆岩结构：二层煤9.4 m 厚，一次采出后垮落空间大且其3 m 厚的直接顶垮落并不能直接充填采空区，而且直接顶是由中粒砂岩组成，其强度较大，并不能立即随工作面推进而垮落。随工作面推进至100、110 m 时，悬露的基本顶部分破断充填采空区，由于直接顶、基本顶岩石强度大，破断之后并不能充填采空区；由于采空区与未垮落直接顶之间存在空隙，使得直接顶与部分基本顶水平力传递中断，进而形成倒台阶形悬臂梁结构。工作面推进100 m 时基本顶部分垮落如图1。

图1 工作面推进100 m 时基本顶部分垮落Fig.1 Collapse of the basic roof when the working face advances 100 m

随着工作面的不断推进，直接顶达到极限垮落距破断失稳，直接顶压实采空区，基本顶岩层的“悬臂梁”结构回转失稳形成“砌体梁”结构，构成3 个相互咬合的关键块“A、B、C”结构，关块键C 压实采空区与关键块B 连接，提供1 个水平推力给关键块B，同时连接关键块A，此时关键块A 受到直接顶“悬臂梁”结构向上的支撑力保持稳定，耦合形成“砌体梁-悬臂梁”铰接结构，因此工作面液压支架与上覆围岩形成密切联系的相互作用结构。如果液压支架选型小于维持上覆岩层结构稳定的工作阻力，关键块A 将会破断发生回转失稳，无法提供关键块B 稳定的水平推力与摩擦力，无法形成“砌体梁-悬臂梁”结构，从而造成工作面强烈来压，压架等风险。

由相似模拟结果可以看出：深部大采高工作面液压支架的阻力一是主要是防止直接顶“悬臂梁”结构回转失稳的压力；二是来自“砌体梁”结构回转的压力。

3 羊场湾覆岩破断移动规律

3.1 工作面顶板结构参数

顶板上覆岩层结构由不同厚度和岩石力学性质的坚硬顶板组成，根据岩层控制关键层理论，一般认为关键层控制着其上覆部分或全部岩层的运动情况，而对于多层顶板组合结构关键层的判定可用式（1）进行计算[15]：

式中：qk+1、qk分别为计算到第k+1 层与k 层时，第1 层关键层所受载荷。

经计算，位于开采煤层顶板上方3 m 处18.4 m厚的中粒砂岩为亚关键层，其岩层厚度以及岩石硬度大于其下方顶板，因此作为160206 工作面的基本顶，其破断失稳将会对工作面造成矿压显现，而位于直接定下方3 m 厚的粉砂岩为此工作面的直接顶。

3.2 基本顶受力

结合文献［16］对工作面直接顶破断规律进行研究，从直接顶内部应力分布规律进行分析，进而得出基本顶的破断演化规律。

工作面自开切眼回采至直接顶初次垮落时，直接顶悬露呈“固支梁”结构其力学模型如图2。

图2 基本顶初次垮落（固支梁）Fig.2 Initial collapse of basic roof（fixed beam）

x 向应力分量σx表达式为：

式中：q 为固支梁载荷，近似认为上覆岩层所施加的平均载荷Pa；h 为固支梁高度m；l 为固支梁长度，m；y 为y 向距离。

固支梁的两端角部处拉应力最大，即岩层将在该处（0，h/2）拉裂，该处的最大拉应力σmax为：

根据梁的最大拉应力强度准则，当σmax=RT时（RT为极限抗拉强度），即岩层在该处的拉应力达到该处的抗拉强度极限，岩层将在该处发生拉裂，可知直接顶不发生拉裂的安全跨度l 为：

式中：r 为安全系数。

这种梁断裂时的极限跨距lmax为：

固支梁破断后形成简支岩梁，根据最大拉应力理论，基本顶周期来压步距l0为[17]：

式中：μ 为基本顶岩梁的泊松比。

根据羊场湾160206 工作面参数资料结果，基本顶岩层的极限抗拉强度RT=0.86 MPa，将其代入式（5）计算可得基本顶初次垮落步距为131 m，周期破断距为38 m。

3.3 直接顶周期垮落步距

基本顶固支梁结构随工作面推进后破断形成悬臂梁结构的示意图如图3。

图3 基本顶周期垮落（悬臂梁）Fig.3 Periodic collapse of basic roof（cantilever beam）

悬臂梁垮落距lz[18]可用式（7）表示：

根据羊场湾160206 工作面参数资料结果，直接顶岩层的极限抗拉强度RT=0.69 MPa，将其代入式（7）计算可得直接顶周期破断距为12 m。

3.4 基本顶回转失稳稳定性

基本顶失稳回转对下方工作面液压支架造成明显的矿压显现，“砌体梁-悬臂梁”力学模型如图4。

图4 基本顶回转失稳结构力学模型Fig.4 Mechanical model of basic roof gyratory instability structure

基本顶周期破断之后，岩块之间相互挤压形成砌体梁结构，关键块C 完成一次回转失稳至稳定后，在于关键块B 与关键块C 的咬合处产生摩擦力和水平挤压力，而位于关键块B 之下有一段直接顶支撑的悬臂梁结构所提供的支撑力。关键块A、关键块C 分别由较稳定煤岩层和采空区矸石稳定支撑。

对覆岩顶板力学模型进行力学分析，由平衡条件ΣM0=0，ΣFy=0 可得出防止关键块B 发生回转直接顶所产生的压力q2：

式中：T 为关键块之间的水平推力，N；G1为关键块B 的自重力，N；q1为基本顶上覆岩层的载荷，MPa；Q2为关键块之间的摩擦力，N；X1为基本顶的周期断裂距，m；X2为直接顶的周期断裂距，m；X3为关键块B 发生回转后的距离，m；θ 为关键块回转角度，（°）。

3.5 直接顶受力分析

直接顶“悬臂梁”结构如图5。

图5 直接顶力学模型Fig.5 Direct roof mechanical model

通过对直接顶力学模型做力偶平衡ΣM0=0，得到式（9），

式中：p 为液压支架对直接顶的作用力，N；Gp为直接顶的重力，N；X0为液压支架的合力点到煤壁的距离，m；X2为直接顶悬臂梁结构断裂距，m；q2为基本顶达到极限垮落距后，“砌体梁”结构回转给予直接顶的压力，N。

在基本顶未达极限垮落距时，由于基本顶亚关键层自身强度大，并不会给下位岩层提供压力载荷p1，因此；在基本顶达到极限垮落距后，此时需要考虑砌体梁结构关键块回转的作用力p2，p=p2。

3.6 液压支架的工作阻力

正常回采阶段，由于基本顶并未达到极限垮落距，因此液压支架除需要受直接顶“悬臂梁”结构对支架的作用力还要承受顶煤的自重。则液压支架工作阻力pc的计算公式[18]为：

式中：la为支架控顶距，m；ρa为顶煤密度，t/m3；b为支架中心距，m；hp为直接顶的高度，m。

来压阶段，由于基本顶达到极限垮落距，基本顶连同上两岩层同时发生垮落，基本顶形成3 个关键块的“砌体梁”结构，液压支架需要提供关键B 未能发生回转的作用力，还需要直接顶的作用力。则液压支架工作阻力pd的计算公式为：

根据羊场湾地质资料，顶煤的密度为13.8 t/m3，顶煤厚度为5.3 m，支架中心距为1.75 m，顶板断裂角取63°，将参数代入式（12）和式（13）计算得出：①正常回采期间液压支架工作阻力pc为8 636.323 5 kN ；②来压期间液压支架工作阻力pd为12 584.152 kN。

4 支架工作阻力

4.1 工作面支架阻力监测

羊场湾矿160206 综放工作面倾斜长度为227 m，共有131 台液压支架，编号分别为1#～131#，沿工作面倾向方向，在工作面上部支架（编号5#、15#、25#、35#）、中部支架（编号45#、55#、65#、75#、85#）、下部支架（编号95#、105#、115#、125#）布置观测站。

每个观测站支架压力记录仪监测支架立柱的工作阻力，实时监测整个工作面各个测站的记录情况，并且完全记录支架的降、移、升全过程等。

分析了13 个分站的支架工作阻力及来压判距，工作面液压支架支护工作阻力统计数据见表1。

表1 液压支架支护工作阻力数据Table 1 Hydraulic support work resistance data

由表1 可知，160206 综放工作面平均工作阻力为31.45 MPa，来压时的判据为36.31 MPa。

4.2 液压支架工作阻力

整体液压支架随160206 工作面推进支架工作阻力如图6。

图6 液压支架随160206 工作面推进支架工作阻力Fig.6 Working resistance of hydraulic support with the advancing of 160206 working face

由图6 可知：工作面从0 m 推进至130.5 m 之前液压支架的工作阻力并没有达到来压判距36.31 MPa，此时工作面液压支架工作阻力是由防止直接顶“悬臂梁”结构回转失稳的压力和部分基本顶“悬臂梁”结构回转失稳的压力所提供的。

由图6 可以看出：在130.5 m 处时工作面支架阻力增大超过来压判距，此时工作面初次来压，由相似模拟和理论分析得出，是由于基本顶随工作面的推进达到极限垮落距，基本顶本身连同所控制的上部两岩层同时垮落，对工作面液压支架造成强烈动压。工作面初次来压阶段开始，160206 工作面液压支架来压步距见表2。

表2 随工作面推进来压步距Table 2 Weighting step with the advancing of working face

平均来压步距为40.9 m，推进至500 m 时一共来压10 次。

4.3 液压支架适应性

理论计算液压支架正常工作阻力为8 636.323 5 kN，来压时液压支架工作阻力为12 584.152 kN，羊场湾煤矿160206 工作面ZF13000/25/43D 型液压支架所提工的工作阻力与理论计算较为吻合。160206 液压支架压力监测分站载荷频度分析如图7。

图7 整体液压支架压力监测分站载荷频度分析统计柱状图Fig.7 Bar chart of load frequency analysis and statistics of pressure monitoring sub-station of integral hydraulic support

由图7 可知：整体液压支架载荷低阻区（0～20 MPa）占比1.07%；支架载荷正常工作区（20～40 MPa）占比94.64%；支架载荷高阻区（大于40 MPa）占比4.29%。支架载荷分布柱状图大体呈正态分布，符合支架正常运行工况。支架整体富余系数较大，根据实测统计数据，支架可以满足现场支护需求。

5 结 语

1）深埋厚煤层大采高工作面基本顶未达极限垮落距之前，直接顶和部分基本顶会破断但并未充填采空区，与上覆岩层形成空隙，其水平推力无法传递以致形成倒台阶形“悬臂梁”结构。

2）基本顶达到极限垮落距后，基本顶连同上两岩层同时跨落充填采空区，基本顶形成3 个关键块的“砌体梁”结构，直接顶形成“悬臂梁”结构。

3）液压支架来压工作阻力一是防止直接顶“悬臂梁”结构回转的压力，二是防止基本顶“砌体梁”结构发生回转失稳的压力。

4）羊场湾实际情况表明，工作面液压工作阻力满足要求以及支架载荷大体处呈正态分布，处于良好的位态，支架满足实际现场需求。