超大采高工作面液压支架与围岩耦合作用关系

　第42卷第2期煤　　炭　　学　　报Vol.42　No.2　　2017年2月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYFeb.　2017　王国法,庞义辉,李明忠,等.超大采高工作面液压支架与围岩耦合作用关系[J].煤炭学报,2017,42(2):518-526.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.0699WangGuofa,PangYihui,LiMingzhong,etal.Hydraulicsupportandcoalwallcouplingrelationshipinultralargeheightminingface[J].JournalofChinaCoalSociety,2017,42(2):518-526.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.0699超大采高工作面液压支架与围岩耦合作用关系王国法1,2,庞义辉1,2,李明忠1,2,马　英1,2,刘新华1(1．天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京　100013;2．煤炭科学研究总院开采研究分院,北京　100013)摘　要:针对金鸡滩煤矿坚硬厚煤层赋存条件,提出了8．2m超大采高一次采全厚开采方法,分析了超大采高工作面液压支架与围岩的强度、刚度、稳定性耦合关系及控制方法,研制了ZY21000/38/82D型超大采高液压支架及新结构。基于液压支架与围岩耦合作用关系,采用理论分析与数值模拟方法研究了超大采高液压支架合理工作阻力确定的“双因素”控制法;通过建立脆性坚硬厚煤层煤壁片帮的“拉裂-滑移”力学模型,得出了控制煤壁片帮发生滑移失稳的液压支架临界护帮力;分析了销轴铰接间隙对超大采高液压支架稳定性的影响及控制方法。通过创新研制大缸径抗冲击双伸缩立柱、三级协动护帮装置等新结构,保证了超大采高液压支架与围岩系统的稳定性控制。关键词:8．2m超大采高综采;支架与围岩耦合关系;工作阻力;煤壁片帮;稳定性控制中图分类号:TD323　　　文献标志码:A　　　文章编号:0253-9993(2017)02-0518-09收稿日期:2016-05-26　　修回日期:2016-07-04　　责任编辑:常　琛　　基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2014CB046302);中国煤炭科工集团科技创新基金资助项目(2016QN007)　　作者简介:王国法(1960—),男,山东文登人,研究员,博士生导师。Tel:[phone],E-mail:[e-mail]。通讯作者:庞义辉(1985—),男,河北保定人,助理研究员。E-mail:[e-mail]alwallcouplingrelationshipinultralargeheightminingfaceWANGGuo-fa1,2,PANGYi-hui1,2,LIMing-zhong1,2,MAYing1,2,LIUXin-hua1(1.CoalMingandDesigningDepartment,TiandiScience&TechnologyCo.Ltd.,Beijing　100013,China;2.CoalMiningBranch,ChinaCoalResearchInsti-tute,Beijing　100013,China)Abstract:IntermsofthehardandthickcoalseamoccurrenceconditionsinJinjitancoalmine,the8.2multralargeheightlongwallminingmethodwasproposed,andthestrength,stiffnessandstabilitycouplingrelationshipbetweenthehydraulicsupportandwallrockintheultralargeheightlongwallminingworkingfacewereanalyzed.ThehydraulicsupportofZY21000/38/82Dandnewerstructuresweresuccessfullydeveloped.Basedonthecouplingrelationshipbe-tweenthehydraulicsupportandwallrock,thedouble-factorscontrolmethodforconfirmingthehydraulicsupportwork-ingresistanceinultralargeheightlongwallminingfacewasstudiedbytheoreticalanalysisandnumericalmodeling.Throughbuildingthe“tensile-slippage”mechanicalmodelofcoalwallspallingforhardfragilitythickcoalseam,thecriticalfaceguardforceofhydraulicsupportwasobtainedtocontrolthecoalwallslidinginstability.Theinfluenceandcontrollingmethodofthepinrollgaptothehydraulicsupportstabilitywereanalyzed.Throughinnovatingthenewstructuresofthedouble-telescopicpropandthree-gradecoordinatefaceguarddevice,thestabilitycontrolofhydraulicsupportandcoalwallsystemwasguaranteed.Keywords:8.2msuperlargeheightlongwallmining;hydraulicsupportandwallrockcouplingrelationship;workingresistance;coalwallspalling;stabilitycontrol第2期王国法等:超大采高工作面液压支架与围岩耦合作用关系　　我国西部的晋、陕、蒙、新等大型煤炭基地赋存有大量6~9m坚硬、厚煤层,受制于煤层坚硬、顶煤冒放性差等因素,这类煤层非常适宜采用超大采高一次采全厚开采方法。由于工作面一次割煤高度达到6~8m,直接顶冒落后对采空区充填不充分,基本顶来压时矿山压力显现剧烈,围岩控制难度大,极易诱发煤壁片帮、冒顶、切顶压架等安全事故[1-3]。液压支架作为工作面围岩结构稳定性控制的核心设备,其对围岩的适应性、可靠性直接决定着超大采高综采技术的成败。许家林等[4-6]分析了浅埋煤层工作面顶板压架事故类型,研究了工作面发生大面积切顶压架事故的防治技术。黄庆享等[7-8]提出了大采高工作面“等效直接顶”的概念,研究了浅埋煤层大采高工作面“双关键层”结构及破断规律,建立了煤壁片帮的“柱条”理论模型。闫少宏等[9-10]建立了大采高工作面顶板破断力学模型及煤壁片帮的“压杆”理论力学模型,分析了大采高工作面液压支架合理工作阻力确定方法。鞠金峰等[11-13]分析了7m大采高工作面矿山压力显现规律,研究了顶板结构失稳方式对工作面矿山压力显现的影响。以往的研究成果主要分析了厚煤层大采高工作面围岩失稳机理及对矿山压力显现的影响,推动了井工煤矿工作面矿山压力理论的发展,但研究内容很少涉及工作面围岩控制关键设备———液压支架对围岩的控制作用,将围岩与液压支架分开研究不利于综采工作面围岩控制理论与技术的进步。本文以金鸡滩煤矿8．2m超大采高综采实践为基础,分析了超大采高液压支架与围岩的强度、刚度、稳定性耦合关系,研究了超大采高工作面围岩结构稳定性控制关键技术。1　工程概况金鸡滩煤矿开采2-2上煤层,西翼盘区煤层厚度5．6~9．12m,平均7．68m,煤层结构简单,含0~1层夹矸,厚度为0．18~0．52m,岩性为泥岩,煤层硬度系数f=2．6~3．1,平均f=2．8,属于中等偏硬煤层,煤层倾角1°左右,煤层埋深200~305m。直接顶多为泥岩、粉砂质泥岩,厚度1~3m,平均1．77m,属于中等稳定顶板;基本顶为巨厚砂岩体,基岩层为砂岩互层,平均厚度185m,上覆松散载荷层主要为沙土层,平均厚度48m,2-2上煤层覆岩结构如图1所示。井田内地质构造简单,瓦斯含量低,煤层易自然发火,非常适宜采用大采高一次采全厚开采技术。由于2-2上煤层埋深较大,基载比1(约为3．85),图1　2-2上煤层钻孔柱状图Fig．1　2-2coalseamboreholecolumnarsection经计算,上覆基岩层存在垮落带(24~49m)、裂隙带(63~125m)、弯曲下沉带等“三带”结构,即煤层上覆基岩层能够形成比较稳定的承载结构,完全不同于西部典型的浅埋煤层赋存条件(埋深150m,基载比1,单一主关键层结构,来压具有明显动载[14])。虽然2-2上煤层上覆基岩层能够形成比较稳定的承载结构,但由于一次最大开采高度达到8．0m,且直接顶平均厚度仅有1．77m,工作面矿山压力显现仍然可能会比较强烈。周边某矿井开采煤层平均厚度6．9m,煤层埋深184~222m,上覆基岩层厚度110~210m,与金鸡滩2-2上煤层赋存条件十分相似,采用ZY16800/32/70D型超大采高液压支架,正常回采时工作面矿山压力显现不明显,但来压期间矿山压力显现十分剧烈,最大动载系数超过1．7,支架立柱下缩量超过1600mm,煤壁片帮深度达3000mm,冒顶高度达到4000mm,工作面中部30~120号支架整面冒落,冒落的巨大矸石直接将刮板输送机压死[15-16]。2　液压支架与围岩耦合作用关系工作面煤层开挖后破坏了岩体中原岩应力场的平衡状态,在采动应力场的作用下,顶板岩层发生周期性不规则破坏失稳,液压支架作为工作面支撑顶板、防护煤壁、隔绝采空区冒落矸石的支护结构体,其形成的支护应力场与采动应力场相互耦合形成动态平衡。基于围岩采动应力场与液压支架支护应力场的耦合特性,可以将工作面液压支架与围岩的耦合作用关系细分为强度耦合、刚度耦合与稳定性耦合[17],如图2所示。915煤　　炭　　学　　报2017年第42卷图2　液压支架与围岩耦合作用关系Fig．2　Hydraulicsupportandcoalwallcouplingrelationship2．1　超大采高液压支架与围岩的强度耦合关系基于液压支架与围岩的强度耦合作用关系,超大采高工作面煤层开挖以后,冒落的直接顶岩层对采空区充填不充分,导致基本顶岩层回转空间增大,当回转角度增大到一定值时,基本顶岩层将由回转失稳转化为滑落失稳,导致围岩承载结构上移。由于基本顶垮落岩层的自重与回转、滑落空间增大,导致形成的冲击动载荷增大,工作面矿山压力显现剧烈,极易引起煤壁片帮、冒顶,甚至发生液压支架压死等安全事故,如图3所示。液压支架通过对顶板施加合理的工作阻力与初撑力,可以有效降低顶板岩层的下沉速度及顶板动载矿压的显现程度。液压支架通过对顶板岩层进行适时、合理的让压,充分利用围岩的自承能力,维护工作面安全作业空间。图3　超大采高工作面顶板岩层结构失稳Fig．3　Roofstructuralinstabilityinsuperlargeheightworkingface2．2　超大采高液压支架与围岩的刚度耦合关系基于支架与围岩的刚度耦合作用关系,采用UDEC数值模拟软件分析了不同围岩刚度对顶板岩层结构稳定性的影响,如图4所示(为加快数值模拟计算速度,在顶板岩层下部3．0m处施加位移边界),开挖时步反映工作面推进速度。通过对不同围岩刚度顶板下沉量关系曲线进行分析,围岩刚度越大,顶板岩层的下沉量则越小,但不会影响顶板岩层的最终下沉量,即刚度越大的顶板岩层形成承载结构的机率越大,但同时载