基于矿压监测数据的回采工作面支架适应性研究

肖 瑶，张小康

(霍州煤电集团有限责任公司， 山西 霍州 031400)

液压支架是回采工作面最为重要的装备之一，除了对刮板输送机等设备进行推移外，更重要的是要通过其工作阻力，维护采场上覆岩层的稳定、确保采场作业空间。因此，对于生产期间特别是来压期间，液压支架工作阻力发挥效能如何、能否对来压期间的上覆岩层实现有效控制，是工作面能否实现安全、高效生产的一个重要因素。国内外学者在支架结构与支架适应性方面进行了大量的理论研究，文献[1]构建了液压支架“三因素指标体系”适应性评价指标，文献[2]对比分析了两柱支架和四柱支架的优缺点和适应性，文献[3]认为四柱支撑掩护式支架具有更好的端面控顶效果，文献[4-5]分析了平衡千斤顶对两柱掩护式支架适应性的影响，文献[6]对顶梁外载荷作用位置进行了理论研究，得出支撑掩护式支架顶梁长度确定原则。上述研究较为全面地从支架结构方面对支架的适应性进行了研究，但结合覆岩破断规律及现场矿压监测数据进行支架适应性的评价工作开展较少。本文以干河煤矿2-116工作面为例，通过研究工作面生产过程中围岩运动与支架承载情况，分析该系列支架的适应性。

1 工作面工程地质条件

霍州煤电集团有限责任公司干河煤矿井田面积为35.559 9 km2，生产能力为210万t/a.该矿2-116工作面地表位于工业广场西南部，地表形态属低山黄土丘陵，以黄土梁、垣特征，黄土冲沟发育，工作面地表大部为农田耕地，黄土覆盖厚度30～90 m，基岩厚510～590 m，埋藏深度较大。2-116回采工作面煤层平均厚度3.5 m，夹矸0.4 m左右。煤层结构1.6(0.4)1.5，煤层倾角4°～12°，平均8°. 以工作面开采范围的M-1-2钻孔所示岩层地层分布特征，分析2#煤层上覆顶板岩层情况。

2 基本顶的判别及断裂步距

2.1 基本顶的判别

工作面覆岩基本参数见表1，根据岩层载荷计算公式[7-9]：

(1)

式中：

(qn)1—第n岩层对第一层的载荷，MPa;

q1—第一层关键层自身载荷；

Ei—第i岩层的弹性模量，MPa；

γi—第i岩层的重度，MN/m3；

hi—第i岩层的厚度，m.

第一层本身的载荷q1为：

q1=γ1h1=27×1.59=42.93 kPa

(2)

考虑到第二层对第一层的作用：

以此类推，2-116工作面覆岩岩性及覆岩载荷计算结果见表1.

表1 覆岩载荷计算结果表

由计算结果可知，第三层及以上岩层对第一层的载荷影响不大，第八层及以上岩层对第三层的载荷影响不大，单纯从覆岩载荷来看都可以是基本顶。但是第三层岩层距离煤层过近，处于垮落带范围，而第八层岩层本身强度高、厚度大、距离煤层远，位于覆岩的断裂带，因此判断第八层岩层为覆岩的基本顶。

2.2 断裂步距的计算

基本顶在初次垮落之前，由于工作面推进距离不足，导致采动空间相对较小而前后均为实体煤，破断方式可简化成为梁式破断。在按照梁式计算破断步距时，在一般情况下，由于弯矩形成的极限跨距要比剪应力形成的极限跨距小，因此常常按照弯矩来计算极限跨距，梁式计算分为简支梁与固支梁。在初次破断情况下两边均为实体煤，所以按照固支梁计算。

所以基本顶所承受的载荷由表1知q1=295.95 kPa，抗拉强度经细粒砂岩物理参数性质表查得Rt=6.75 MPa.

计算公式为：

(3)

式中：

L1—基本顶的初次来压步距，m；

h—基本顶的层厚，m；

Rt—基本顶的抗拉强度，MPa；

q1—基本顶上覆岩层所承受载荷，kPa；

由式(3)得：L1=39.77 (m)

当工作面推进一定距离后，基本顶开始周期断裂，推进方向为实体煤，假设推进相反方向基本顶并未断裂，整体呈悬臂梁结构，所以基本顶周期来压简化成悬臂梁后的步距公式为：

(4)

代入后由式(4)算得：L2=16.55 m

综上所述，基本顶按照梁式破断时的初次破断步距L1=39.77 m，周期破断步距L2=16.55 m.

3 基本顶来压强度的理论计算与现场实测

3.1 基本顶来压对工作面支架载荷的计算

当基本顶达到极限跨距后，随着回采工作面的继续推进，基本顶开始发生断裂，断裂后成为外表似梁，实质是拱的“砌体梁”结构。工作面前端为实体煤，看作为固支端。基本顶自重和上覆岩层对基本顶的作用力为结构提供向下的载荷，支架和咬合点回转变形两处提供一个向上的支座反力。但考虑到直接顶岩层随采随冒，不能按照极限垮落步距来计算，同时考虑到支架掩护长度为5 m，所以定义直接顶在垮落时的距离为5 m. 该计算过程中，为方便计算取各层宽1 m，支架宽1 m，平均载荷换算成集中载荷进行计算。对支架进行受力分析，建立平衡方程如下：

由竖直方向静力平衡条件：

∑Fy=0q直+q基+q3=F支+R

(5)

由铰接覆岩力矩平衡：∑M=0

(6)

式中：

q直—直接顶集中载荷，MPa,取0.44；

q基—基本顶集中载荷，MPa,取2.82；

q3—上覆岩层对基本顶的集中载荷，MPa,取8.57；

F支—支架所承担的反力，取其集中力，MPa；

R—岩块咬合点回转变形所提供的反力，kN；

l2—基本顶周期破断步距，m,取16.08；

l直—直接顶垮落步距，m,取8；

l控—最大控顶距与最小控顶距平均值，m,取5.

联立式(5)和式(6)，求得支架所受到的集中载荷结果为：

F支=7.14 MPa

干河煤矿工作面采用的支架型号为ZY-9000/25.5/55，分左柱和右柱，柱径D=0.36 m，支架所受压力经计算求得F支=7.24 MPa.那么考虑到液压柱在周期来压时所受压力的大小为：

前述构建的平衡结构模型默认上覆岩层均匀连续，同时默认来压时直接顶与基本顶为整体性下沉，并未考虑离层情况，计算存在误差，定义误差系数K=0.95来对计算的实际结果进行修正。

经理论计算求得来压时工作面支架液压缸所受载荷F柱=35.59 MPa，其实际情况为：

F实=F柱×K=33.81 MPa

3.2 来压特征分析

在工作面6号、56号、116号综采液压支架设置监测测线，将3条监测测线综采液压支架工作阻力监测历史数据导出，把典型的具有周期来压特征的数据用Excel折线图表示，在各测线上选择具有连续性、特征性的一组时间段，并在该段时间内截取来压周期具体的时间进行研究。工作面第6号、56号、116号支架工作阻力选取具体时间段分别为2018.07.03—2018.07.28、2018.08.13—2018.09.10、2018.09.03—2018.09.31.

工作面来压期间支架工作阻力数值特征分析研究考虑到涉及基本顶周期来压、来压强度的数据统计，计算过程非常繁琐，牵扯到大量的计算参数与计算公式，从简化计算方面来讲，合理的定义出计算参数与计算公式是非常有必要的。

基本顶断裂步距的统计计算公式：

(7)

式中：

j—选取数据的周期来压连续时间段内的第j次来压，次；

n—选取的连续时间段内周期来压次数，次。

基本顶来压强度的统计计算公式：

(8)

式中：

n—选取的连续时间段内周期来压次数，次。

以下在进行支架工作阻力数值特征的统计运算时，避免反复出现相同公式计算，默认上述公式。

为分析支架实际破断来压歩距，需要了解不同时间工作推采进尺，对支架工作阻力来压分析时，利用工作面进尺反推来压步距。工作面进尺情况见表2.

表2 回采工作面进尺表

1) 实测6号支架工作阻力数值分布特征见图1. 由图1可知，2018年7月03日—18日，6号支架共计5次周期来压，选取第1、2、3次进行分析，分别为3日、9日、14日，间隔5天、5天和4天，来压情况成持续上升状态，最大值为37.8 MPa.

按式(8)计算6号支架第一段连续时间内平均周期来压强度可得：

图1 6号支架工作阻力分时分布特征图

2) 56号支架工作阻力分布特征见图2. 由图2分析可知，8月26日支架因设备故障问题导致数据缺失，无法准确地进行来压判别，但是综合考虑116工作面的顶板来压规律加以现有数据的引导，可以推测8月28日缺失的时间段为顶板周期来压时间，故8月8日—9月7日之内共计6次周期来压，选取第3、4、5次周期来压进行分析，分别为13日、17日、9月2日，分别间隔4天、4天、3天。来压情况成持续上升状态，最大值为44.7 MPa.

图2 56号支架工作阻力分时分布特征图

3) 116号支架工作阻力分布特征见图3.由图3可知9月1日—9月13日之内共计5次周期来压，选取第1、2、3次周期来压分析，分别为1日、5日、9日，间隔3天、4天和4天，来压情况成持续高压状态，最大值为38.5 MPa.

按式(8)计算116号支架连续时间段内平均周期来压强度可得：

图3 116号支架工作阻力分时分布特征图

4 2-116工作面支架适应性分析

将涉及到3条测线中的3架支架工作阻力数值汇总，各台支架选取一组连续时间段，总计3组数据，各组数据又分为基本顶周期来压步距与基本顶周期来压强度共两组，所以需要选取具有代表性的来压步距与来压强度数值与前述的理论计算结果进行比较。基本顶来压特征情况多复杂变化，很难进行细节研究，所以考虑用各组数值相加求平均值的方法，求出一个不够精准但是具有代表性的平均值，与之前理论计算得到的结果进行一个大范围上的比较，验证理论计算结果的真实性，并且求出理论结果与实际数据存在的误差百分比。

来压实际支架工作阻力平均值计算：

前述通过力学平衡化简构建模型求得基本顶周期来压强度F实=33.81 MPa，求得基本顶周期来压步距L2=16.55 m.

理论计算结果与实际工作阻力、周期来压步距的误差百分比为：

经误差百分比可知，前述通过构建力学平衡的方法推算基本顶来压周期的强度、步距大小大体上接近基本顶周期来压时的实际支架的工作阻力，计算的周期来压强度误差为-5.6%，计算的来压步距误差为5.3%.

5 结 论

1) 综上理论分析与现场实测，2-116工作面所使用的ZY-9000/25.5/55支架工作阻力与来压强度匹配度好，可以满足工作面顶板控制与安全生产的要求。

2) 在干河煤矿生产实际条件下，可以利用经典矿山压力的基本顶分析及其断裂步距分析，预测工作面周期来压强度，从岩层控制方面对支架的选型可以起到较好的支撑作用。