大采高工作面液压支架工作阻力的计算与分析

赵 晨

（山西煤炭运销集团裕兴煤业有限公司，山西 晋城 048000）

1 工作面概况

裕兴煤业15203工作面位于井田二采区中部，南侧靠近F1断层，西侧为采区大巷，东侧为井田边界。15203工作面位置如图1所示。工作面设计长度为280 m，采高为4.2 m，可采长度为1 500 m，工作面区域煤层埋藏深度为240～460 m。工作面无其他地质构造，岩层倾角平均为3°～8°，顶底板岩层赋存条件相对稳定，顶板为K2灰岩，局部为黑色泥岩，完整性好，底板为泥岩或粉砂岩。

图1 15203工作面布置图

2 支架工作阻力计算方法

2.1 方法选取

选取思路为先采用理论计算方法初步求得支架工作阻力，然后综合坚硬顶板、大采高因素，适当修正计算结果，还要留出富裕系数用来抵消特殊地质条件及现场管理不强等因素，再次完善计算结果，最后结合数值模拟分析和现场实测数据[1-2]，确定15203工作面支架工作阻力的取值。

2.2 理论计算

2.2.1 采高容重法

采高容重法是以支架控顶距内全部直接顶的岩重及基本顶来压时形成的额外载荷为阻力计算依据。在周期来压影响较低时取低倍数，周期来压剧烈时取高倍数。

根据收集的资料，裕兴煤业15203工作面为大采高综采工作面，工作面周期来压较为剧烈，因此计算时采用高倍数。另外，根据收集的资料可知，工作面顶板岩石容重为2.5 t/m3，重力加速度g取9.8 m/s2，支架顶梁长度为4.195 m，最大控顶距时梁端距为0.9 m，中心距为1.5 m，则采高为4.2 m时支架工作阻力如下：P=PtS=8×4.2 m×2.5 t/m3×（0.9 m+4.195 m）×1.5 m=641.97 t=6 291 kN。其中，P为支架工作阻力，单位为kN；Pt为支架工作强度，单位为kN/m2，Pt=8Hr，8为常数，H为煤层采高，取4.2 m，r为体积力，取2.5 t/m3；S为支护面积，单位为m2，S=（梁端距+顶梁长度）×中心距。

2.2.2 实测统计法

根据坚硬顶板矿压理论可知，同层坚硬顶板可被看作连续介质，按照岩梁和岩板建立其计算模型。根据实测，上一个工作面初次垮落步距为32 m，由于工作面长度和煤层埋深增加，15203工作面长度为280m，初次垮落步距会相对变小，根据经验取Lf=28m；基本顶厚度取5.9 m；支架最大控顶距为5.095 m；备用系数CK，按1.5考虑。

1）顶板初次来压时，支架延米支护阻力RH1如下：

式中：L0为初次来压步距，在老顶厚度为14.96 m时取L0=28 m；H为基本顶厚度，本工作面取5.9 m；R为最大控顶距，取5.095 m；p0为顶板岩层抗拉强度，取1.8 MPa；q为载荷集度，取376 kN/m2。

通过计算可得：RH1=5 089.9 kN/m。

支架工作阻力公式如下：式中：P为支架工作阻力，kN；b为支架中心距，取1.5 m。

代入数据可得：P=7634.8 kN。

2）顶板周期来压时，支架延米支护阻力RH2如下：

式中：L为周期来压步距，按18 m计算。

代入有关数据得：RH2=4779.2kN/m，P=7168.8kN。

2.2.3 砌体梁结构分析法

按照砌体梁学说，工作面支架必须能够提供足够支撑力来避免顶板发生离层现象，还要让顶板岩层形成“砌体梁结构”对基本顶施加作用力，以平衡其部分载荷，防止发生工作面切顶及台阶下沉问题。

根据收集的地质资料，裕兴煤业15203工作面直接顶厚度为5.4～7.8 m，计算时，取直接顶厚度为7.8 m，顶板岩石容重为2.5 t/m3，重力加速度g可取9.8 m/s2，支架最大控顶距为5.095 m，周期来压步距为18 m，tan（φ-θ）为岩块间的内摩擦角，一般为0.6。

支架工作强度计算公式如下：

式中：h为直接顶厚度，m；r为体积力，kN/m3；H为采高，m；φ为岩块破断角，（°）；L为周期来压步距，m；R为控顶距，m；θ为岩块间摩擦角，（°）；δ为岩块回转下沉量，取0.97 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，取10 764 kN。

故支架工作阻力依据下式计算可得：P=PtS=6759 kN。

2.3 考虑富裕系数修正支架工作阻力

考虑到15203工作面初采、过构造、过空巷、大倾角及末采阶段等特殊地质条件及工作面开采强度大、推进速度快时，支架管理可能不到位，因此进行支架工作阻力计算时，应当考虑一定的富裕系数。

根据《矿山压力与岩层控制》教材可知，液压支架支撑效率Ks为0.9。则液压支架实际所需工作阻力如下：

1）采高容重法：P1=P/Ks=6 291÷0.9=6 990 kN≈7 000 kN。

2）实测统计法：考虑坚硬顶板影响延米支护阻力计算支架工作阻力。顶板初次来压时，P1=P/Ks=7 634.8÷0.9=8 483 kN≈8 500 kN；顶板周期来压时，P2=P/Ks=7 168.8÷0.9=7 965 kN≈8 000 kN。

3）砌体梁结构分析法：P1=P/Ks=6 759÷0.9=7 510 kN≈7 600 kN。

通过采用采高容重法、实测统计法和砌体梁结构分析法等方法对裕兴煤业15203综采工作面支架工作阻力进行理论计算。根据计算结果可得，15203综采工作面所需支架工作阻力最低为7 635 kN。若考虑过构造、过空巷、开采强度加大、推进速度快及支架初撑力管理可能不到位导致支架阻力分布不均匀等异常情况，采用富余系数0.9对支架工作阻力进行修正，则所需支架工作阻力最高为8 500 kN。

2.4 支架工作阻力模拟分析

2.4.1 数值模拟方案

采用FLAC3D的数值模拟方法，模拟15203工作面液压支架工作阻力分别为0 kN、6 800 kN及8 000 kN时的工作面垂直应力分布规律及垂直位移分布规律[2]。

2.4.2 数值模拟结果

1）15203工作面垂直应力分布规律：由模拟结果可得，工作阻力为6 800 kN时，端头垂直应力最高为17.31 MPa，除端头外，工作面垂直应力最高为14.64 MPa，最低为8.044 MPa；工作阻力为8 000 kN时，端头垂直应力最高为17.32 MPa，除端头外，工作面垂直应力最高为14.71 MPa，最低为8.079 MPa。由此可得，工作面端头及中间位置为应力集中部位，在实际开采过程中应注意加强支护，做好顶板管理工作。

2）15203工作面垂直位移分布规律：由模拟结果可得，当工作阻力由0 kN增加到6 800 kN时，最大垂直位移由0.65 m减小到0.47 m，减小幅度为27.7%；当工作阻力由6 800 kN增加到8 000 kN时，最大垂直位移由0.47 m减小到0.30 m，减小幅度为36.2%。当支架工作阻力为6 800 kN时，工作面部分区域垂直位移较大，不利于顶板的管理；当支架工作阻力为8 000 kN时，工作面垂直位移相对较小，基本上处于可控范围内。

根据理论计算和数值模拟结果，综合判定15203综采工作面支架工作阻力不宜小于8 000 kN。

3 结论

1）首先明确了支架工作阻力理论计算初步结果加影响因素修正，然后用数值模拟计算和实测数据论证综合判定得出阻力数值的方法思路。

2）15203工作面长度为280 m，结合埋深影响因素，确定15203综采工作面支架工作阻力为8 500 kN。工作面现有ZZ6800/20.5/45型支撑掩护式液压支架不能满足工作面的顶板管理要求。

3）工作面在回采过程中可能遇到特殊地质条件区域，综合现场支架操作及管理不到位的影响因素，建议埋深在400 m以下区域布置工作面长度不宜超过200 m，液压支架工作阻力不低于8 000 kN。