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浅埋煤层长壁开采支架阻力及安全界限 　　摘要:依据浅埋煤层矿压显现特征,给出浅埋煤层长壁开采工作面支架合理工作阻力及安全界限的确定方法。工作面支护强度的提高,相当于增加关键层下方工作面处的变形刚度k值,可使基岩层关键层破断距有所减小,顶板的破断位置偏向采空区,顶板台阶下沉范围和下沉值均减小。 　　 　　关键词:浅埋煤层;长壁开采;支架阻力;安全界限 　　 　　中图分类号:TD3 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)01-0132-02 　　 　　1问题的提出 　　 　　按煤层埋藏深度及顶板处理方法和矿压显现特征等因素,可将煤炭开采划分为浅埋煤层露天开采、浅埋煤层地下开采(亦称浅埋煤层开采或薄基岩浅埋煤层开采)、常埋深煤层开采、深部煤层开采(即深部开采)四种类型[1]。在浅埋煤层地下开采方法中又可分为长壁开采和短壁开采(包括房柱式开采)两种类型。 　　20世纪80年代神东矿区开采初期,浅埋煤层长壁回采工作面矿压显现剧烈,普遍存在顶板台阶下沉现象。大柳塔煤矿试采面C202长壁普采工作面来压期间,顶板普遍出现350～600mm落差的下沉台阶;首个综采面1203工作面,采用YZ3500-23/45型液压支架,初次来压期间,顶板台阶下沉量高达1.0m,出现压死支架、支架立柱涨裂、机尾溃沙等剧烈的矿山压力显现。 　　显然,依据浅埋煤层矿压显现特征,给出浅埋煤层长壁开采工作面支架合理工作阻力及安全界限的确定方法,是浅埋煤层安全开采所面临的生产实际问题,也是浅埋煤层开采矿压研究需要解决的理论问题。 　　 　　2浅埋煤层长壁开采顶板破断距 　　 　　典型薄基岩浅埋煤层顶板基岩层只有一个关键层[2],其力学模型如图1所示。 　　图1弹性地基梁力学模型 　　模型为弹性基础(符合Winkler地基假设)梁,上表面作用有均布载荷q,厚度为h。关键层的初次破断距Lc为 　　Lc=2l+2xβ 　　式中,l由下式给出: 　　15ql2e-x?茁[(+-a)sinx?茁+(-a)scosx?茁]-h2?啄c=0 　　x?茁=arctan 　　式中:w=;a= 　　E,I―分别为梁的弹性模量和惯性矩。关键层的周期破断力学模型如图2所示。 　　关键层的周期破断距为: 　　Lz=l+x1 　　式中,l由下式给出: 　　3qle-x1[(sinx1+lcosx1]-h2?啄c=0 　　x1= arctan 　　关键层破断距的分析表明,基岩层初次破断距较大,周期破断距较小。 　　薄基岩浅埋煤层长壁回采工作面现场观测表明,随着工作支护强度的加强,顶板台阶下沉范围和下沉值均减小。显然,当工作面支架工作阻力提高,尤其是提高工作面初撑力时,则相当于增加关键层下方工作面处的变形刚度k值,从而使顶板的破断位置偏向采空区,工作面来压强度、来压持续时间均明显减小。 　　因此,提高工作面支架初撑力,对改善顶板控制状态是极为重要;同时,较高的支架工作阻力可使基岩层关键层破断距有所减小,从而减小来压时支架在动载作用下的破坏程度。 　　 　　3“承压砌块”模型 　　 　　构建描述关键层破断后运动的“承压砌块”模型[3]如图3所示。关键层悬壁梁破裂垮落成B块,在关键块B后的运动过程中,由于工作面覆岩协同活动特点,其上始终作用着松散层及上层基岩层重量构成的载荷q0+qu,关键块B一端由C块及其冒落矸石支撑,另一端由工作面支架经直接顶板传递的工作阻力及A块支撑,工作面推进B块后,B块沿架后即切落至冒矸上。 　　 　　4支架工作阻力及长壁开采安全界限 　　 　　工作面基岩关键层“承压砌块”进行力学分析如图4所示: 　　若使工作面顶板不出现台阶下沉现象,则单位长度工作面上的支架阻力为:R=(q0+qu+qg+qz)#8226;l#8226;[1-] 　　式中 　　q0―松散层形成的荷载;qu―关键层上方基岩层重量形成的荷载;qg―关键层自重载荷;qz―直接顶重量形成载荷;△―关键层下沉距离。 　　即:△=m-(Kp-1)∑h 　　式中m―工作面采高;Kp―直接顶岩层碎胀系数;hg,h―关键层、直接顶厚度;l―砌块长度;tan?椎―关键层内摩擦系数;θ―关键层砌块B块转角。 　　 　　5结论 　　 　　(1)工作面不发生溃砂涌水的条件即长壁开采界限是 　　hg-△0,即hgm-(KP-1)∑h 　　取决于直接顶厚度、碎胀特点、采高、基岩关键层厚度。 　　(2)在工作面地属条件确定下,关键砌块长度越小,所需要的支架工作阻力越小。因此,提高支架初撑力可以降低关键层悬壁梁周期破断长度,从而降低工作面矿压显现剧烈程度。 　　(3)对于坚硬顶板,应采取人工强制放顶等技术措施,降低关键层破断长度