基于覆岩破断特征的极薄煤层工作面支架工作阻力确定.pdf

第 卷第 期 年 月西安科技大学学报 童应山，王森，张连东，等 基于覆岩破断特征的极薄煤层工作面支架工作阻力确定 西安科技大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：陕西省自然科学基础研究计划联合基金项目（）；延安市科技“揭榜制”计划项目（）通信作者：童应山，男，陕西米脂人，高级工程师，：基于覆岩破断特征的极薄煤层工作面支架工作阻力确定童应山，王森，张连东，王永安，李培煊，李帅（延安车村煤业（集团）有限责任公司，陕西 延安 ；延安市禾草沟二号煤矿有限公司，陕西 延安 ；西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 ；西安科技大学 能源学院，陕西 西安 ）摘要：延安子长矿区极薄煤层分布广泛，因赋存煤炭为稀缺配焦煤，回采价值较高，但该矿区未有过开采极薄煤层的先例，开采过程中面临支架选型不合理的问题，且国内在该方面的研究成果较少，因此，以禾草沟二号煤矿极薄煤层综采工作面为背景，通过数值模拟、理论分析等研究了极薄煤层综采工作面顶板覆岩结构破断特征及其演化过程，建立了采场顶板岩梁断裂前后力学解析模型，获得了极薄煤层综采工作面直接顶周期破断距，确定了合理支架工作阻力。结果表明：极薄煤层工作面开采初期顶板垮落后会较快的对上覆岩层形成支撑，至顶板极限跨距后，直接顶与基本顶周期破断，且基本顶破断位置位于直接顶破断线前方，两者间存在离层空间，共同回转下沉；工作面液压支架主要受直接顶回转载荷作用，其作用载荷为 ，确定支架选型为 四柱支撑掩护式液压支架；现场应用后，可以有效发挥支架支护性能，满足采场围岩控制要求。研究成果为国内极薄煤层开采工作面支架选型提供了一定的参考。关键词：极薄煤层；综采工作面；顶板结构演化；支架 围岩作用；支架工作阻力中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：，（），；，；，；，）：，；，第 期童应山，等：基于覆岩破断特征的极薄煤层工作面支架工作阻力确定 ，；，；，；，：；引言中国极薄煤层储量丰富，约占煤炭可采总储量的 。近年来，随着中厚煤层资源的减少和一些矿井开采顺序的发展，部分矿井为延长矿井服务年限及保证矿井生产能力均衡，提高煤炭资源采出率，薄煤层开采日渐受到重视 。薄煤层因工作面采高有限，人员活动区域小，作业环境恶劣，亟需提升极薄煤层综合机械化开采水平，从而降低工作面作业劳动强度。极薄煤层工作面因其煤层厚度较小，垮落覆岩极易对上覆岩层形成及时支撑，工作面支架选型有别于常规中厚煤层工作面。因此，掌握覆岩结构演化特征，进行支架工作阻力计算，合理选择液压支架，对保障极薄煤层安全开采尤为重要。在采场覆岩运移演化方面，国内外学者已开展大量研究。申斌学等研究了沟壑地貌下综放开采覆岩破断特征，沟壑地貌下因地表不均匀载荷易与采动应力相互影响，导致工作面矿压显现剧烈 ；杨俊哲等针对 支架超大采高工作面，研究了覆岩破断结构，提出超大采高工作面“切落体 挤压平衡拱”结构模型 ；娄金福针对长壁开采工作面覆岩运移破断与采动应力演化的耦合作用过程，阐释了厚硬岩层对于宏观应力场演化的影响机制，认为覆岩破断表现为梁拱二元结构，其对覆岩运移破断及采场矿压显现影响显著 。在薄煤层工作面矿压规律研究方面，张磊等分析了锚索受力及围岩变形情况，发现薄煤层切顶成巷无煤柱开采巷道变形和支护结构受力均表现出明显的阶段性特征，均呈现“缓慢快速缓慢稳定”的变化趋势，顶板在工作面后方 趋于稳定 ；赵兵以某矿薄煤层综采工作面为工程背景，检测了工作面液压支架工作阻力及巷道围岩变形情况，发现薄煤层工作面初次来压步距为 ，周期来压步距为 ，来压情况明显，超前段影响范围为 ；龚强以苏村煤矿薄煤层综采工作面为背景，分析了安全开采问题，确定了合理液压支架型号并分析了其优缺点 。对于支架工作阻力计算方法主要有数理统计法 、估算法 、经验公式法 、“砌体梁”法 、“传递岩梁”法 等，但是，因极薄煤层覆岩结构破坏特征的特别性，这些方法难以准确确定支架合理工作阻力。对于围岩 支架相互作用关系，学者们也作出较多探索 。李扬等研究了工作阻力计算方法，建立了散体给定 砌体梁式模型，并开发了支架载荷评价系统 ；吴锋锋等构建了该开采条件下支架与围岩相互作用关系力学模型，推导出支架工作阻力计算公式，指导了该开采条件下支架的合理选型，并进行了现场试验，所选支架满足现场顶板控制要求 ；王家臣等在充分考虑节理、裂隙对煤岩体性质影响基础上，对大采高采场顶板运移破断特征进行了研究，以能量守恒原理为基础分析了顶板载荷确定方法 ；娄金福等针对大采高综采工作面易片帮问题，建立了“顶板煤壁支架”采场结构力学模型，给出了基于片帮控制的合理支架工作阻力确定方法 ；张可斌等依据支架围岩关系调压试验曲线，从定性定量方面研究了围岩与支架相互作用关系，并依据支架围岩双曲线关系力学模型，给出了支架控制覆岩运动的合理工作阻力方法 ；郭玉峰等用 数值模拟软件分析了综放工作面不同推进距离下覆岩运移规律及顶板破断特征，对比了目前几种常用支架工作阻力计算方法的优缺点及实用性，并根据实际工况条件完成了液压支架的选型 。现有研究主要针对厚煤层覆岩破坏特征及其支架工作阻力，在薄或极薄煤层方面涉及较少。基于禾草沟二号煤矿极薄煤层工作面，采用理论分析与数值模拟方法研究了极薄煤层工作面开采覆岩破断特征及其演化过程，构建极薄煤层覆岩破断力学模型，分析该开采条件下支架与围岩相互作用关系，推导出一种极薄煤层开采支架工作阻力计算方法，并根据计算结果对工作面液压支架进行了选型。工程背景子长县禾草沟二号煤矿位于陕北黄土高原中部，面积 。主采 号煤层，煤层厚 ，平均 ，为极薄煤层，煤层平均埋深 ，煤层顶板岩性以砂岩为主，如图 所示。矿井采用切顶留巷无煤柱开采技术进行回采，工作面面宽 。极薄煤层开采覆岩破断特征 数值模型的建立与模拟方案根据禾草沟二号煤矿综合地质柱状图及生产?图 煤层顶底板岩性 地质条件，建立离散元数值模型，模型 方向长 ，方向高 ，模拟底板高度 ，煤层厚度 。模型底部固支，四周采用位移约束，上部为自由边界。上部松散层按照 转化为外载荷 施加在模型顶部。岩层节理简化为水平与垂直节理，节理采用面接触库伦滑移模型，模型块体采用 强度准则，将物理性质相近的岩层合并简化处理，根据禾草沟二矿煤层赋存条件，岩层物理力学参数见表 。表 岩石物理力学参数 岩性体积模量 剪切模量 密度（）内摩擦角（）黏聚力 抗拉强度 红土 细粒砂岩 粉砂岩 号煤 中粒砂岩 泥质粉砂岩 根据工作面倾向长度 ，为模拟达到充分采动阶段，模拟推进长度 。模拟计算过程为：数值模型建立初始地应力计算平衡工作面回采（采高 ，开挖步距 ）开挖计算 西 安科技大学学报 年第 卷第 期童应山，等：基于覆岩破断特征的极薄煤层工作面支架工作阻力确定平衡工作面回采结束。覆岩运移破断规律工作面推进不同距离下覆岩破断特征如图 所示。工作面回采初期，工作面回采 时，覆岩顶板垮落呈梯形，垮落高度 ，随着工作面的继续推进，工作面回采 时，新回采工作面再次形成梯形垮落，垮落高度与工作面回采 时一致，在两垮落岩体之间形成倒三角形未垮落岩块，倒三角形岩块两侧搭接在垮落岩体上，对上覆岩体形成支撑。随着工作面的向前回采，由回采 时，覆岩随工作面推进呈周期性垮落，垮落岩体均呈梯形，在相邻垮落岩体间覆岩呈倒三角形支承上覆岩层。随着工作面的向前推进，覆岩逐渐弯曲下沉，且弯曲下沉范围逐渐升高。当工作面推进 时，覆岩形成砌体梁结构，破断岩块靠近后方采空区处搭接在垮落岩体上，另一端在煤壁处破断，破断岩块厚度为 ，与之前垮落岩体高度一致；随着工作面的继续推进，直接顶泥质粉砂岩与基本顶细粒砂岩周期破断垮落，其中直接顶破断块在工作面推进至 ，时，长度为 ，基本顶破断岩块长度分别为 ，。相比于直接顶岩块，基本顶岩块断裂位置位于直接顶岩块前端，其后端由垮落岩块承担。?图 不同回采距离下覆岩破断特征 采场顶板破断演化特征为研究工作面回采后顶板覆岩结构破断演化过程，通过控制计算时步，以获得不同计算时步下工作面覆岩破断运移状态。根据上文可知，回采 后，随着继续开挖，工作面覆岩呈周期性垮落，覆岩垮落规律基本一致，因此，以工作面回采 时为例，通过对比分析不同计算时步下覆岩顶板破断特征分析采场顶板破断演化规律。根据模拟可知，工作面回采至 时，计算 步时采场顶板稳定，取每间隔 计算时步下覆岩破断运移状态进行对比分析，如图 所示。工作面自 回采至 时，计算步下，破断块、呈平行四边形，块 后端 点落于煤层底板，前端 点与工作面顶板岩层相铰接；块后端 落于采空区后方已垮落直接顶岩层上，前端与基本顶下部铰接于 点。计算至 步时，块 沿 点回转变形形成块，相比于块，块 大小无变化，其内部裂隙压密；块 在上覆岩层移动载荷作用下，块体移动垮落，块体内裂隙闭合。当继续计算至 步时，随着直接顶岩层与基本顶岩层的协同下沉运移，直接顶岩层在工作面前方煤壁处断裂，并与之前断裂岩层相接，块体 后端 点位置不变，前端铰接点 移动至煤壁处。块体 破坏变形与直接顶一致，前端在工作面处断裂，前端点 向工作面处移动，由于直接顶沿一定垮落角断裂，因此基本顶岩层断裂位置位于煤壁后方，距煤壁水平距离 ；块 后端由于覆岩的运移，后端 点向前方移动，其后部破断至垮落岩体上。计算至 步时，块体、继续在覆岩运移载荷作用下回转下沉，块体前端断裂铰接位置不变，后端由于接触至煤层底板，、端点均向前移动，当计算至 步时，基本顶块 与 重合，基本顶稳定，而 块后端点继续向前方移动；当计算至 步时，块 与 重合，与 重合，此时顶板覆岩运移破断稳定。?图 采场顶板破断演化 极薄煤层工作面矿压显现机理根据极薄煤层开采覆岩破断结构特征研究结果可知，在工作面回采初期，采空区垮落矸石对顶板具有明显的支撑作用。在此阶段，工作面覆岩较为稳定，支架主要受直接顶载荷作用，而当工作面基本顶垮落后，工作面顶板呈周期性垮落，此阶段支架主要受顶板覆岩破断结构回转载荷作用，矿压显现明显。因此，不考虑回采初期充填矸石作用，主要以工作面周期来压期间覆岩结构为对象，对工作面矿压显现机理进行研究。极薄煤层采场顶板结构演化过程根据模拟极薄煤层覆岩破断过程可知，工作面回采后，直接顶与基本顶岩层断裂基本同步，基本顶断裂位置位于直接顶断裂位置前方处，直接顶与基本顶破断岩梁共同回转下沉，形成双拱结构。断裂过程如图 所示，且有以下特点。）随着工作面的推进，直接顶岩层在其重力及上一次基本顶周期垮落形成的砌体块 作用下弯曲下沉，当悬顶达到极限跨距时，直接顶最大拉应力达到其抗拉强度，直接顶岩梁 断裂并沿断裂点回转下沉，如图 （）所示。）直接顶破断后，随着直接顶的回转下沉，上方基本顶 随之发生破断，其破断位置位于直接顶断裂线前方处。）直接顶在自重及基本顶垮落岩块作用下破断时对采场产生一次冲击作用，基本顶断裂时，其破断载荷作用于工作面前方煤体。）顶板岩梁断裂后，直接顶与基本顶均形成铰接结构，其中直接顶前端作用于工作面支架，后端与上一次破断直接顶间竖向裂隙压密，上一次破断直接顶岩块后端落于工作面底板，两次破断岩块共同回转下沉，基本顶破断后与直接顶破断形式一致，与上一次破断基本顶岩块共同回转下沉，如图 （）所示。）直接顶岩梁 断裂后，其后端未触底板前，处于回转下沉状态，直接顶破断岩块 与上一次破断直接顶 形成的不稳定铰接岩梁自重作用于支架上，此阶段采场压力最大。在此过程中，基本顶岩块主要对工作面前方煤体作用。因此，在此过程中基本顶对采场支架压力影响较小。）当直接顶破断岩块 后端触底后，基本顶破断岩块 随后亦触矸，此时形成“岩 矸”结构，直接顶破断岩块 末端作用于采空区底板，基本顶破断岩块 末端作用于直接顶垮落矸石，采场顶板形成“双拱结构”，如图 （）所示。?图 顶板结构破断演化 采场围岩 支架作用机理通过对顶板岩梁断裂演化分析可知，顶板破裂过程中主要可分为个阶段，顶板岩梁破断前及破断后，顶板岩梁破断前支架主要承担直接顶与基本顶岩梁悬臂自重作用及破断基本顶回转作用力，岩梁破断后支架主要承担直接顶本次破断岩块及上一次破断岩块共同形成的岩梁回转作用 西 安科技大学学报 年第 卷第 期童应山，等：基于覆岩破断特征的极薄煤层工作面支架工作阻力确定力。因此，对采场围岩 支架作用机理分析主要针对这 个阶段研究。顶板岩梁破断前直接顶断裂前，采场顶板岩梁力学简化模型如图 所示。?图 采场顶板岩梁断裂前力学模型 对于基本顶岩梁，作用于支点，基本处于平衡状态，令 ，则 （）根据几何关系（）()（）（）（）式中 为基本顶重力，；与 为直接顶与基本顶相互作用力，；为基本顶厚度，；为基本顶周期破断步距，；为直接顶厚度，；为直接顶破断步距，；为支架有效控顶距，；为基本顶末端最大下沉量，；为煤层厚度，；为岩石碎胀系数；为作用力 与垂向夹角，（）；为基本顶岩层容重，。将式（）（）（）代入式（），计算得 （）对于直接顶岩梁，作用于支点，处于平衡状态，令 ，则 （）根据几何关系（）()（）将式（）（）代入式（），计算得 （）直接顶岩梁受力情况如图 所示。?图 采场顶板岩梁直接顶岩梁受力 直接顶岩梁从上端部点处开始断裂，其力学条件是（）式中为梁端断裂处实际拉应力，其大小为作用于该处的应力之差，即（）式中 为 点处产生的拉应力，；为在 点处产生的压应力，。点处由岩梁弯曲产生拉应力，故有（）式中 为 处的弯矩，；为梁端截面模量，。（）（）将式（）式（）代入式（）得 (槡)（）由直接顶岩梁 与基本顶岩梁 压力应力分量 、造成，为 （）将式（）式（）代入式（）得到 点处实际拉应力为 ()（）令 ，即可求得直接顶断裂步距。顶板岩梁破断后当直接顶岩梁断裂后，基本顶岩梁在直接顶断裂位置前方处断裂，前端作用于工作面前方煤壁，由于极薄煤层开采空间小，直接顶垮落岩体因碎胀特性膨胀后，基本顶岩层破断后回转角度较小，因此直接顶岩梁破断后工作面支架主要支承直接顶破断岩梁载荷。采场顶板岩梁结构可简化为图 所示力学模型。?图 采场顶板岩梁断裂后岩梁受力模型 若要支架能够控制住直接顶，则支架对直接顶的作用力 应能够维持住直接顶的基本平衡，即破断顶板岩梁作用力。由于，则（）得 （）所以工作面面长方向每延米直接顶作用力为（）（）禾草沟二号煤矿采场顶板压力计算禾草沟二号煤矿极薄煤层工作面顶板参数为煤层厚度 ，（支架宽度 ）。将上述参数代入式（），计算得直接顶断裂步距 ，与数值模拟结果 相近。由式（）计算顶板岩梁破断后沿工作面倾向每延米顶板压力为 。此时每个支架上方顶板压力为 。现场实测数据验证基于以上理论计算、数值模拟分析，禾草沟二号煤矿 极薄煤层综采工作面支架合理工作阻力取 ，工作面液压支架采用 四柱支撑掩护式液压支架。工作面回采期间，矿压实测表明，工作面不同地段周期来压步距 ，与数值模拟结果 结果基本一致。工作面回采期间，通过对支架工作阻力进行监测，统计液压支架工作阻力分布情况，见表 。从表 可以看出，监测数据的 分布在 ，分 布 在 ，分布在 ，分布在 以上。支架工作阻力主要分布在 。表 工作面支架工作阻力频度分布 支架工作阻力区间 占比 统计工作面各支架时间加权工作阻力如图 所示，各 观 测 支 架 时 间 加 权 阻 力 为 ，占额定工作阻力的 ，充分发挥了支架的支护性能，没有超过支架的最 西 安科技大学学报 年第 卷第 期童应山，等：基于覆岩破断特征的极薄煤层工作面支架工作阻力确定大工作阻力。在此列出工作面两端 号支架、号支架及工作面中部 号支架、号支架工作阻力实测曲线，如图 所示。综上分析，工作面回采期间，工作面支架工作阻力主要分布在 ，时间加权阻力占额定工作阻力的 ，支架安全阀开启率在 ，有效发挥了支架的支护性能，对于 回 采 过 程 未 产 生 较 大 影 响，矿 井 选 用 的 四柱支撑掩护式液压支架满足采场围岩控制要求。?图 各支架时间加权工作阻力?图 支架工作阻力 结论）浅埋极薄煤层回采下，因埋深与开采厚度较小，在工作面开采初期，顶板垮落高度较小，且在垮落岩体碎胀作用下对上覆岩层形成支撑，未垮落岩层逐渐弯曲下沉，当工作面开采至一定距离时，采空区垮落岩体逐渐压实，覆岩在工作面前方开始周期破断，直接顶与基本顶岩层形成铰接结构。数值模拟结果 与实测周期来压步距 基本一致。）分析了极薄煤层工作面顶板周期破断采场顶板岩梁破断演化过程，极薄煤层工作面回采条件下，由于开采厚度较小，直接顶岩梁厚度旋转下沉空间有限，岩梁破断后形成铰接结构，基本顶岩梁在直接顶岩梁前方破断，两者破断后共同回转下沉，且岩层间形成离层，基本顶破断岩块在工作面后方垮落稳定直接顶上触矸，在此过程中，支架主要受破断直接顶载荷作用。）根据采场顶板岩梁破断演化过程，建立了采场顶板力学模型，分析计算了极薄煤层采场顶板破断下直接顶破断步距及顶板压力，极薄煤层工作面回采下支架主要受顶板破断后破断岩梁弯曲下沉载荷 作 用，确 定 直 接 顶 周 期 破 断 距 为 ，支架受顶板压力为 。）根据极薄煤层采场顶板力学模型支架压力计算结果，确定禾草沟二号煤矿支架额定工作阻力为 ，选用 四柱支撑掩护式液压支架。基于现场矿压监测，工作面支架工作阻力主要分布在 ，时间加权阻力占额定工作阻力的 ，支架安全阀开启率为 ，有效发挥了支架支护性能，满足采场围岩控制要求。参考文献（）：钱鸣高，刘听成 矿山压力及其控制 北京：煤炭工业出版社，申斌学，朱磊，朱德福，等 沟壑地貌下综放开采覆岩破断特征研究 煤炭工程，（）：，（）：杨俊哲，刘前进，徐刚，等 支架超大采高工作面矿压规律及覆岩破断结构研究 采矿与安全工程学报，（）：，（）：娄金福 采场覆岩破断与应力演化的梁拱二元结构及岩层特性影响机制 采矿与安全工程学报，（）：，（）：钱鸣高 采场上覆岩层岩体结构模型及其应用 中国矿业大学学报，（）：，（）：张磊，李伟东，汪义龙，等 薄煤层半煤岩巷道切顶成巷矿压规律研究及应用 煤炭工程，（）：，（）：赵兵 缓倾斜薄煤层综采工作面矿压显现逻辑分析 能源与节能，（）：，（）：龚强 苏村煤矿薄煤层开采液压支架的应用 能源技术与管理，（）：，（）：李龙清，荆宁川，苏普正，等 大采高综采支架工作阻力综合分析与确定 西安科技大学学报，（）：，（）：张寅，赵毅，李皓综采工作面回撤巷强矿压显现机理及控制技术 煤田地质与勘探，（）：，（）：宋振骐 实用矿山压力控制 徐州：中国矿业大学出版社，高峰，钱鸣高，缪协兴，等 采场支架工作阻力与顶板下沉量类双曲线关系的探讨 岩石力学与工程学报，（）：，（）：闫少宏 综放开采矿压显现规律与支架 围岩关系新认识 煤炭科学技术，（）：，（）：黄庆享，董博，陈苏社 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