回采工作面过旧空区支架-围岩关系研究

毕太平

（山西晋能煤销临汾公司，山西临汾 041000）

回采工作面过旧空区支架-围岩关系研究

毕太平

（山西晋能煤销临汾公司，山西临汾 041000）

以回采工作面过旧空区为背景，采用理论分析方法，建立了支架失稳时工作阻力计算模型，对基本顶岩层破断特征及过旧空区时支架工作阻力进行研究。研究表明：回采工作面向旧空区推进时易在旧空区上方基本顶岩层处发生超前断裂，形成巨大块体B；岩块B既有滑落失稳又有回转变形失稳。因此，在计算支架工作阻力时必须考虑两种失稳对支架的载荷，得到支架工作阻力计算公式。

工作面过旧空区；支架-围岩关系；工作阻力计算

上世纪山西等地乡镇小煤矿广泛分布，受装备水平与开采技术等限制，大多数矿井采用刀柱式采煤法进行开采，资源回收率低，被列为落后的技术，刀柱开采破坏了煤层的完整性。现阶段开采过程中，回采工作面不可避免遇到采空区，通常解决方法是留下隔离煤柱，缩短工作面长度避开采空区，这样导致回采率降低，缩短工作面的同时延误了推进速度，降低了工作面生产效率。如果能直接通过采空区，可提高资源回收率，对实现煤炭资源的可持续发展有着重要意义。为保证回采的安全高效，需要解决工作面过旧空区时围岩破断规律及支架围岩关系等技术难题。以前有过类似的研究[1-2]，但是对工作面通过旧空区（10～15 m）时工作面支架与围岩关系的研究未见报道。

本文以回采工作面过旧空区为工程背景，对建立的冒顶区围岩结构受力模型、旧空区顶板断裂运移规律、应力分布特征和支架-围岩关系进行分析研究，为回采工作面过旧空区提供理论依据。

1 回采工作面过旧空区基本顶破断特征

回采工作面过旧空区(冒顶区)过程中，基本顶破断特征，见图1。随着工作面推进，工作面与旧空区之间的煤柱宽度逐渐减小，在超前支承压力作用下较窄的煤柱破碎、失稳，而旧空区内冒落煤岩体对上方顶板支撑作用较小甚至空顶，进而基本顶的空顶长度突然增加。加之，旧空区顶板岩层断裂高度较大，直接顶以及部分基本顶坚硬岩层被切断，其效果相当于顶板采取切缝措施[3]，矿山压力通过悬臂梁传递效果受到削弱，极易在冒顶区上方提前断裂，形成超长岩块B，同时基本顶大面积垮落失稳。由于基本顶不能保持自身稳定，在工作面过旧空区过程中，岩块B极易失稳，引起旧空区及工作面顶板急剧下沉，矿山压力显现剧烈。

岩块B的主要失稳形式有滑落失稳和转动失稳[4]。因而，实现工作面安全过旧空区的基本条件是旧空区内煤岩垮落体及工作面支架的支撑反力能够防止岩块发生滑落失稳或转动失稳，同时，对旧空区两帮提供有效支护，防止两帮煤体片帮。

根据对旧空区基本顶破断特征分析，岩块B是工作面能否安全通过的关键块体，针对旧空区围岩力学特征作以下简化：a.岩块A、B、C形成铰接结构，岩块B长度近似为顶板周期来压步距。b.岩块B之上的软弱岩层无承载能力，可视为作用于其上的均布载荷q。c.块体A对块体B的水平推力和垂直剪力分别为TA、QA，作用点均为块体B的旋转轴的中点。d.工作面推至旧空区，计算上覆载荷作用时考虑超前支承压力的集中效应。e.块体C对块体B的水平推力和垂直剪力分别为TC，QC；f.旧空区垮落煤岩的支撑作用及工作面支架支护阻力通过直接顶对岩块B作用。根据旧空区基本顶破断特征及上述简化建立旧空区上方基本顶结构力学模型，见图2。L为岩块B长度即周期来压步距，m；q为岩块B及其上部软弱岩层单位长度的自重，MN/m；Ta，QA，TC，QC为岩块B在其两端所受水平推力、剪力作用。

为防止块体B发生滑落失稳，必须满足与块体A之间摩擦力大于剪切力，即TAtanφ≥QA，其中tanφ是两岩块间摩擦系数，取0.2。

为防止块体B发生转动失稳，必须满足与块体A之间挤压应力小于抗压强度，即TA/a≤ησ，其中TA/a是接触面上平均挤压应力，σ是岩块极限抗压强度，MPa；η是针对岩块转角处特殊受力条件而取得修正系数，取0.3[5]。

当工作面推至旧空区时，工作面一侧煤柱在回采作用下宽度变窄失去核区承载能力迅速下降，剩余的窄煤柱以崩塌或蠕变状态溃屈；煤柱失去承载能力后，整个支架-围岩系统应力重新分布。受顶板切断影响，矿山压力不能通过悬臂梁传递，支架上方大面积岩层作为荷载作用在支架上，工作面支架承受载荷大且有基本顶突然断裂时带来冲击载荷影响，此时工作面处于最危险状态，旧空区顶板关键块B的受力状态，见图3。

当工作面推进至旧空区时，即d=0，此时，块体A与C对块体B的水平推力TA、TC以及垂直剪力QA、QC，采空区已冒矸石对块体B的作用Fd，直接顶、支架对块体B的作用力F0，块体B上覆载荷q，块体B自重Fzj对关键块体B的旋转轴EF所产生的力矩分别为：

L为基本顶沿工作面推进方向的断裂长度，可以根据式（3）计算得到：

根据力的平衡原理法对块体B进行分析得：

L1为基本顶侧向断裂长度，可由式（2）计算：

a为块体A，C与块体B的接触点位置，可以由式(4)计算得：

C块对B块的推力Tc可以根据式（5）得：

直接顶对关键块体B的作用力F0可以由式（7）计算得：

采空区冒落矸石的压缩量gx可以根据式（6）计算得到：

由以上各式得：

2 过旧空区时支架受力状况分析

工作面正常回采过程中，支架受力包括：直接顶载荷；基本顶通过直接顶作用于支架的载荷。复采工作面过冒顶区时，支架受力较为复杂，由直接顶全部重量、由于基本顶岩层结构中岩块失稳而产生的载荷组成。

基本顶发生滑落失稳时的支架工作阻力计算图，见图4，公式为：

式中：P为液压支架工作阻力，kN/m2；∑h为直接顶和顶煤的厚度，m；γ为直接顶和顶煤的平均容重，kN/m3；L为老顶周期垮落步距，m；φ为老顶岩块间摩擦角，°；α为直接顶岩层破断角，°；S1为关键块B的下沉量，m；R为控顶距，m；Q为工作面顶板上方裂隙带下位岩层中暴露岩块的全部重量，kN。

发生回转失稳时，位于直接顶上方的坚硬岩层岩块B的破断仍属于规则垮落，但岩层的断裂步距超过控顶距，出现一定距离的悬顶；旧空区上方的平衡拱拱角一端在旧空区前方一侧煤柱上另一端在支架上方，考虑到冒落后的碎胀矸石可能对此断裂岩块产生一定的支承力，见图5支架受力图。

考虑冒落矸石的支承力Rg作用，支架只承担Q的一部分，故支架受力为：

式中：n为载荷系数，与直接顶厚度有关，一般取0.25～0.5，当∑h=0时，n=1；h为岩块厚度，m；L为岩块长度，m。

一般周期来压时，基本顶大部分情况下发生滑落失稳，只在工作面前方有断层或应力状态改变时才发生回转失稳。工作面前方存在旧空区，则老顶的断裂形式，见图1，工作面会出现两次来压，第一次是正常的周期来压，岩块B为滑落失稳；第二次是由于旧空区上方老顶在超前支承压力的作用下，导致岩块A的断裂，造成支架上方老顶岩块B的回转下沉，即岩块B既有滑落失稳又有回转变形失稳。因此，在计算支架工作阻力时必须考虑上面的两种失稳形式，可按下面的公式计算：

其中，有关参数的确定不能按工作面正常推进时考虑。

3 结论

1）工作面向旧空区推进过程中，煤柱提供的支撑力逐渐弱化加之矿山压力通过悬臂梁传递效果受到削弱，基本顶岩层极易在旧空区上方提前断裂，形成超长岩块B。

2）断裂形成后，岩块B的主要失稳形式有滑落失稳和转动失稳。

3）回采工作面过旧空区时，支架受力较为复杂，由直接顶全部重量、由于基本顶岩层结构中岩块失稳而产生的载荷组成。

[1]柏建彪，侯朝炯.冒顶区顶板稳定性原理及支护技术研究[J].煤炭学报，2005，30(1)：8-11.

[2]翟新献，钱鸣高，李化敏，等.小煤矿复采煤柱塑性区特征及采准巷道支护技术[J].岩石力学与工程学报，2004，23(24):3799-3802.

[3]刘正和，赵阳升，弓培林，等.回采巷道顶板大深度切缝后煤柱应力分布特征[J].煤炭学报，2011，36(1)：18-23.

[4]李红涛，刘长友，汪理全.上位直接顶“散体拱”结构的形成及失稳演化[J].煤炭学报，2008，33(4)：378-381.

[5]张自政，柏建彪，韩志婷，等.冒顶区顶板稳定性力学分析及充填技术研究[J].采矿与安全工程学报，2013，30(2)：194-198.

Relation of Support and Surrounding Rock When Mining Face Passing Old Empty Area

BI Taiping
(Linfen Branch，Shanxi Coal Transportation and Sales Group，Jinneng Group，Linfen 041000，China)

A working resistance calculation model，when support loses stability，was established by theoretical analysis.The fracture characteristics of main roof strata and the working resistance of support were studied.The results showed that the mining face was liable to fracture in advance when it passed the main roof of the old empty area and formed huge block B.The rock B could lose stability by sliding or by rotary deformation.Therefore，the load on the support in two instability situations must be taken into consideration to obtain the calculation formula of the working resistance.

working face passing old empty area;relation of support and surrounding rock;working resistance calculation

TD323

A

1672-5050（2015）02-0032-01

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.011

（编辑：武晓平）

2015-01-21

毕太平（1967-），男，山西临猗人，大学本科，工程师，从事煤矿生产与管理工作。