大采高工作面等效直接顶与顶板结构研究

大采高工作面等效直接顶与顶板结构研究
黄庆享;马龙涛;董博;沈滨和
【摘要】在现场实测统计分析的基础上,通过模拟实验和数值计算,揭示了大采高工作面直接顶变厚和覆岩结构铰接点上移的机理,给出了"等效直接顸"的定义.研究得出浅埋煤层大采高工作面顶板结构主要表现为双关键层结构,下组关键层为"高位台阶岩梁"结构,上组关键层为"短砌体梁"结构,工作面来压将出现大小周期来压现象.等效直接顶的破断为上部拉破断下部剪破断,等效直接顸的重量是工作面支架载荷的主要来源.大采高工作面支架初撑力应大于等效直接顶的重量,支架工作阻力主要由等效直接顶重量构成,占77％,支架额定工作阻力约为初撑力的1.3倍.
【期刊名称】《西安科技大学学报》
【年(卷),期】2015(035)005
【总页数】7页(P541-546,610)
【关键词】大采高;等效直接顶;高位台阶岩梁结构;支护阻力;浅埋煤层
【作者】黄庆享;马龙涛;董博;沈滨和
【作者单位】西安科技大学能源学院,陕西西安710054;西安科技大学能源学院,陕西西安710054;西安科技大学能源学院,陕西西安710054;西安科技大学能源学院,陕西西安710054
【正文语种】中文
【中图分类】TD323
榆神府矿区是我国重要的煤炭基地，为实现高产高效，大采高综采方法得到普遍应用[1-2]。

为了控制工作面顶板，矿区不断增加支架的支撑能力从过去的6 000
kN/架，增大到17 000 kN/架，支护成本直线上升。

研究表明，大采高综采面顶
板结构主要表现为双关键层结构[3-4]，但是分析的思路仍然沿用普通采高工作面
的方法，大采高工作面的来压机理和顶板结构尚需系统研究[5-6]。

文中在实测的基础上，通过物理模拟和数值计算模拟，掌握浅埋煤层大采高工作面等效直接顶破断演化过程，揭示等效直接对老顶结构变化和支架受力的影响，揭示大采高工作面来压的机理，为确定合理的支架阻力提供理论依据。

以张家峁煤矿15201工作面为原型，工作面长260 m，煤层倾角1°～3°.工作面
平均埋深120 m，基岩厚度平均70 m，松散层厚度50m.研究不同采高上覆岩层
所形成的结构，选用1∶50的5 m平面模型，对采高为4，5，6，7 m共4种情况进行对比模拟，地层参数见表1.
1.1 等效直接顶及顶板结构演化
模拟研究表明，冒落带高度随采高的增大而增大。

模拟实验得出，采高4 m时，
冒落带的高度为10 m，是采高的2.5倍；采高5 m时，冒落带高度为15 m，是采高的3倍；采高6 m时，冒落带高度为21 m，是采高的3.5倍；采高7 m时，冒落带高度为26 m，是采高的3.7倍。

模拟结果与实测一致，冒落带高度随采高的增大呈线性增大，岩层破断角平均65°，如图1所示。

根据浅埋煤层大采高工作面现场实测和相似模拟统计发现，由于一次性开采厚度大幅加大，原直接顶（地质直接顶[7-8]）远不能充填满采空区，原下组老顶分层垮
落后，不能形成铰结结构，处于冒落状态，等效于直接顶作用。

基于大采高工作面覆岩结构特性，大采高工作面直接顶应该重新定义为：煤层至铰接老顶岩层之间，不能形成结构的冒落带岩层称为等效直接顶（图2）。

浅埋煤层大采高工作面开采等效直接顶破断过程如图3所示，在正常回采期间地
质直接顶随采随垮，下部地质老顶呈悬臂状态，来压时下组老顶破断冒落，充填采空区。

此刻，未垮落的下组老顶形成“高位台阶岩梁”结构。

随工作面推进，上组老顶铰接形成“短砌体梁”结构。

1.2 顶板结构层位上移
随着采高加大和等效直接顶变厚，顶板下组关键层铰接结构层位上移，整个铰接结构层厚度增大，并分为2组，如图4所示。

上组关键层形成的“砌体梁”结构，
下组关键层形成厚等效直接顶之上的“高位台阶岩梁”结构，共同组成双关键层结构。

由于大采高工作面存在2组结构，工作面会出现大小周期来压现象。

下组关键层
高位台阶岩梁结构运动，导致小周期来压；上组关键层短砌体梁结构与下组台阶岩梁结构叠合作用，构成大周期来压。

一般大周期来压是小周期来压步距的2倍。

这种现象，已经得到神府矿区三道沟和张家峁等煤矿的大采高工作面实测验证。

2.1 等效直接顶破坏特征
大采高工作面与普通采高的主要区别是具有3～4倍采高的等效直接顶。

如此厚度的直接顶，其破断运动必将对工作面支架载荷构成新影响。

通过统计国内16个大采高工作面实测数据发现（图5），随采高增大，支架载荷总体呈现增大趋势，但并非线性增大，大部分集中于12 000 kN/架以内。

为此，采用数值计算，揭示直接顶的破坏过程和对工作面的载荷影响。

在同一地质条件下，采高的变化将引起冒落带高度和等效直接顶厚度的变化。

模拟表明，采高4 m时，直接顶为拉破断。

采高5 m时，等效直接顶上部出现拉破断，下部出现小范围剪破坏。

采高为6～7 m大采高时，等效直接顶的破坏具有上拉下剪的特征（图6）。

2.2 等效直接顶承载性与来压特点
根据上述分析，大采高工作面等效直接顶表现为上层位拉破断、下层位剪破断形态
形。

直接顶对支架载荷具有重要影响[9]，由于等效直接顶较厚，如果岩层具有较
好的抗剪强度，则直接顶具有较高的承载能力。

因此，大采高工作面会出现非来压期间压力并不大的现象。

如果直接顶强度低或支护阻力不足，直接顶破断，由于厚直接顶的自重作用，则会出现工作面持续处于较高阻力状态。

为了防止直接顶破坏，要求及时提供足够的支撑力。

因此，要求大采高支架具有高初撑力和工作阻力，平衡直接顶自重和老顶结构的载荷。

2.3 初撑力对等效直接顶的控制作用
模拟表明，提供一定的（大于7 200 kN/架）支护阻力后，等效直接顶受力环境明显改善，上部拉应力明显减小（图7（b）），下部剪应力也明显减小（图7（d））。

当支护阻力从7 200 kN/架增加到9 600 kN/架时，应力分布改变不大。

因此，说明支架阻力存在1个合理值。

若支架能提供足够的初撑力，改善直接顶受力环境，可保持直接顶的承载能力。

支架的初撑力至少应大于直接顶重量。

张家峁煤矿某工作面采高6 m，等效直接顶
厚度20 m，直接顶平均悬伸长度9 m，直接顶自重约7 560 kN（1.75 m宽）。

工作面实际支架初撑力7 860 kN/架，额定工作阻力12 000 kN/架，使用效果良好。

3.1 等效直接顶厚度的确定
大采高冒落带高，等效直接顶厚度增大，对顶板结构的形成和支架载荷具有重要影响，有必要对大采高直接顶厚度的确定进行理论分析。

按照直接顶充满采空区，考虑不同等效直接顶的碎涨系数，可求出大采高工作面等效直接顶最大厚度为
M.
式中∑h为等效直接顶厚度，m；M为采高，m；KP为等效直接顶碎胀系数，根
据实验得出5 m以上大采高工作面一般可取1.285.
由此可得，大采高工作面等效直接顶厚度一般可按照采高的3.5倍估算，比普通采高工作面统计得出的3.3倍略大。

3.2 高位台阶岩梁结构稳定性分析
根据物理模拟，下组关键层一般形成“高位台阶岩梁”结构（图8）。

关键块A 的回转受关键块B的支撑，则B岩块的下沉量为
W=M-（KP-1）∑h,
关键块A的回转角度与B块的相对位置有关，B块的位置取决于等效直接顶的充填程度。

A,B关键块台阶落差d为
d=W-lsinθ,
式中 d为台阶落差，m；W为B关键块下沉量，m；l为关键块长度，m；θ为A 关键块转角，（°）．
设关键块上的载荷合力为P1，作用于岩块中部，则有Qa+Qc=P1.结构中关键块B落在垮落岩石上处于压实状态，Qc=0，则有
Qa≈P1.
取∑Ma=0，∑Mb=0，得铰接点水平力
代入（2）和（3）可得
根据物理模拟实验，台阶岩梁关键块的回转角一般在5°以内，cosθ≈1，（5）式简化为
“台阶岩梁”失稳状态为滑落失稳[10]，保持高位台阶岩梁结构不出现滑落失稳的条件为
Ttanφ≥Qa.
式中tanφ为岩块摩擦系数，可取0.5[11].
设关键块块度i=h/l，将（4）（6）式代入（7）式，可得“台阶岩梁”不发生滑
落失稳的简化条件为
由于sinθ很小，忽略不计，可简化为
i≤0.25+d/l.
若台阶为0～0.3 h，则块度小于0.25～0.36时才不会出现滑落失稳。

根据实测和物理模拟，大部分浅埋煤层顶板来压步距为12 m，关键层厚度一般都在6 m以上，块度i一般大于0.5，可见大采高台阶岩梁结构容易出现滑落失稳，这是大采高工作面载荷较大的原因之一。

因此，支架必须在承担厚等效直接顶重量基础上为台阶岩梁结构提供一定的阻力才能保持顶板结构的稳定。

3.3 工作面支架载荷的确定
3.3.1 支架初撑力
大采高支架围岩关系中，支架初撑力的作用是平衡直接顶的载荷，使直接顶保持稳定，限制其与老顶的离层，由此支架初撑力应当大于等效直接顶重量。

由图8可得支架初撑力为
式中 P0为支架初撑力，kN/架；b为支架宽度，m；γ为直接顶岩层平均容重，kN/m3；β为直接顶破断角，一般60°～70°；Lk为控顶距，m；∑h=3.5M为等效直接顶厚度，m.
如果直接顶容重γ=25 kN/m3，等效直接顶厚度∑h=3.5M，控顶距Lk=5 m，可得
PO≥（437.5+70M）bM,
若采高6.5 m,支架宽度1.75 m，计算得出支架初撑力需大于10 152 kN/架。

若采高7 m，支架宽度2 m，计算得出初撑力需大于12 985 kN/架。

榆神矿区某矿6.5 m大采高工作面，采用ZY12000/29/65D液压支架，支架宽度1.75 m，初撑力为10 390 kN/架，额定工作阻力为12 000 kN/架，工作面顶板控制效果良好。

某矿7 m大采高工作面，采用ZY16800/32/70液压支架，初撑
力为13 440 kN/架，工作阻力达16 800 kN/架，实现了对顶板的有效维护和工作面快速推进。

实践表明，上述简化计算公式比较可靠。

3.3.2 支架工作阻力
根据前面的分析，高位台阶岩梁结构不能自稳，需要支架提供一定的阻力才能保持稳定，不出现滑落失稳。

因此，支架工作阻力不仅要承受直接顶的重量，而且要提供保持台阶岩梁结构稳定所需的阻力。

根据（7）式，保持顶板结构稳定所需的阻力P可按Ttanφ+P≥Qa计算，可得
P≥P1-Ttanφ,
考虑支架宽度，则支架额定工作阻力PZ为
PZ≥P0+bP.
即
如果按照6～7 m大采高，考虑采空区充满的条件，即∑h=3.5M，岩层垮落角按照65°计算，（13）式可简化为
PZ≥（3.5Lk+2.8M）bγM+（1+0.25i）bP1,
可见，支架载荷主要与采高、控顶距、支架宽度、关键块的块度、关键块上覆载荷有关。

根据模拟实验（图3（b）），“台阶岩梁”结构关键块上的载荷为P1=γh1.代入γ=25 kN/m3，Lk=5 m，i=0.5，l=12 m，可得
PZ≥（437.5+70M）bM+2 025b.
采高6.5 m，支架宽度1.75 m，由（15）式求得支架额定工作阻力为13 695 kN/架。

采高7 m，支架宽度2 m，可求得支架额定工作阻力为17 035 kN/架。

可见，额定工作阻力大致为初撑力的1.3倍，大采高支架载荷主要由直接顶重量构成。

目前，国内采用的部分大采高液压支架额定工作阻力为初撑力的1.15～1.20倍（表2），额定工作阻力偏低是工作面支架压坏的基本原因。

1）浅埋煤层大采高工作面，随采高加大，下组关键层铰接点上移，冒落带高度增加，直接顶厚度增大，表现为“等效直接顶”。

为此，提出将铰接老顶之下至煤层间的冒落带岩层，起直接顶作用的全部岩层称为等效直接顶；
2）浅埋煤层大采高综采面顶板结构主要表现为双关键层结构。

工作面下组关键层垮落后不能形成稳定的“砌体梁”结构，表现为“高位台阶岩梁”结构，上组关键层形成“短砌体梁”结构。

上组关键层破断步距较大，一般为下组关键层的破断步距的2倍。

工作面会出现大、小周期来压现象；
3）由于大采高工作面等效直接顶厚度较大，将直接影响支架载荷的大小。

表现为正常回采期间，支架载荷持续较大的现象。

等效直接顶主要破断形式为上部拉破坏下部剪破坏。

厚等效直接顶具有较大的抗剪能力，如果在合理的支护下，直接顶不发生沿煤壁切断，则支架的工作阻力会出现较小的状况；
4）大采高工作面支架初撑力应当大于等效直接顶重量，防止直接顶与老顶离层。

初撑力大小主要与采高有关，大采高工作面初撑力比较大，可采用给出的简化公式进行计算，得到了实践验证；
5）大采高工作面支架额定工作阻力主要由直接顶重量（初撑力）和维持老顶台阶岩梁结构稳定的附加力构成。

等效直接顶的重要占额定工作阻力的77%，额定工作阻力约为初撑力的1.3倍。

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GONG Pei-lin，JIN Zhong-ming．Study on the structure characteristics and movement laws of overlying strata with large mining height[J]．Journal of China Coal Society，2004，29（1）：7-11．
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174-1 177.
HUANG Qing-xiang．Mine pressure characteristics and definition of shallow
seam[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21（8）：1 174-1 177.
[4] 黄庆享．浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2000．HUANG Qing-xiang．Study of roof structure and ground control in shallow seam longwall mining[M]．Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2000．
[5] 周光华，伍永平，来红祥，等.覆沙层下大采高工作面覆岩运移规律[J].西安科技大学学报，2014，34（3）：129-134.
ZHOU Guang-hua，WU Yong-ping，LAI Hong-xiang，et al.Overlying strata movement regularity in large mining height working face under sand covering layer[J].Journal of
Xi’an University of Science and Technology，2014，34（3）：129-134.
[6] 刘锦荣，袁永.坚硬顶板大采高综采面支架合理工作阻力研究[J].西安科技大学学报，2013，33（1）：23-28.
LIU Jin-rong，YUAN Yong.Reasonable support working resistance for great mining height longwall face with hard roof[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2013，33（1）：23-28.
[7] 杨孟达.煤矿地质学[M]．北京：煤炭工业出版社，2009．
YANG Meng-da．Coal geology[M].Beijing：China Coal Industry Press，2009．
[8] 钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2010.
QIAN Ming-gao，SHI Ping-wu，XU Jia-lin．Ground power and roof
control[M]．Xuzhou:China University of Mining and Technology Press，2010．
[9] 曹胜根，钱鸣高，缪协兴，等.直接顶的临界高度与支架工作阻力分析[J].中国矿业大学学报，2000，29（1）：73-77.
CAO Sheng-gen，QIAN Ming-gao，MIAO Xie-xing，et al.Critical height of immediate
roof and working resistance of support[J].Journal of China University of Mining & Technology，2000，29（1）：73-77.
[10] 黄庆享，钱鸣高，石平五.浅埋煤层顶板周期来压结构分析[J].煤炭学报，1999，24（6）：581-585.
HUANG Qing-xiang.QIAN Ming-gao，SHI Ping-wu.Structural analysis of main roof stability during periodic weighting in long wall face[J].Journal of China Coal Society，1999，24（6）：581-585.
[11] HUANG Qing-xiang.Experimental investigation on friction and squeezing of roof structure key blocks corner upon long-wall face[J].Journal of University of Science and Technology Beijing，2005，12（2）：102-105.。