厚煤层储量在我国煤炭总储量中约占44%，其产量比重约占原煤产量的45%，因此在很大程度上，厚煤层开采技术决定着我国煤炭行业技术水平的提高和经济效益的发挥[1-2]。大采高开采具有资源回收率高、瓦斯涌出量小等优点，已成为厚煤层安全高效开采的发展方向和主要技术途径[3]。但是，现场工程实践发现，随着采高与支架高度的加大，支架-围岩系统稳定性逐渐变差、事故率提高[4-5]，工作面顶板结构及其与支架相互作用关系不清、支架选型不合理及工作阻力不足是导致上述问题发生的原因之一[6]。因此，弄清大采高工作面顶板结构特征以及支架合理的支护阻力是当前亟需解决的问题。

目前，国内众多学者对大采高工作面顶板结构进行了研究，指导了工作面支架的设计选型。闫少宏等[7]提出了大采高采场“短悬臂梁-铰接岩梁”结构理论；许家林等[8]提出了大采高综采采场“悬臂梁+砌体梁”的结构理论；王国法等[9]基于超大采高工作面开采条件，建立了“悬臂梁+砌体梁”结构模型，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；尹希文[10]探讨了关键层层位对大采高综采覆岩破断特征和支架工作阻力的影响；黄庆享[11]针对浅埋大采高工作面，提出了“切落体”覆岩结构模型；弓培林[12-13]建立了大采高围岩控制理论的框架，以大采高覆岩结构以及运动规律为中心，深入研究了大采高采场围岩控制；李志华等[14]提出上覆岩层结构直接涉及到采场岩层控制；袁永等[15]提出了大采高综采中直接顶关键层的概念，并得出该条件下的支架工作阻力计算方法；郭卫彬等[16]基于大采高综采工作面覆岩结构特征，对大采高坚硬顶板综采工作面支架工作阻力的确定进行了载荷估算法的修正算法。然而，因大采高煤层赋存条件的复杂性和开采工艺的特殊性[17]，采用传统矿压与岩层控制理论指导生产[18-19]，容易导致工作面顶板活动规律不清、矿压显现机理不明，从而给矿井安全高效生产带来一定阻碍[20]。

晋能控股煤业集团晋华宫煤矿（简称“晋华宫矿”）主采12#煤层，8218工作面采高5.7 m，顶板岩性以砂质岩层为主，硬度较大，工作面回采期间，发生了3次压架事故，影响矿井正常生产累计21天。本文以晋华宫煤矿为工程背景，研究大采高工作面开采顶板结构形态及特征，并且基于物理模拟试验和理论分析结果建立力学模型，分析该开采条件下支架与围岩相互作用关系，计算合理的支架工作阻力，以期为类似条件工作面支架选型和高效生产提供参考[21]。

1、大采高工作面顶板结构模型

1.1 顶板结构特征的物理模拟

为研究大采高开采条件下的顶板运动与结构形态特征，以晋华宫矿8218大采高工作面开采条件为背景，进行物理相似材料模拟实验。采用二维平面应力实验台进行模拟分析，实验台的尺寸为：长×宽×高=2 500 mm×200 mm×2 000 mm。相似模拟常数的选取及物理力学参数如表1与表2所示。

表1 模拟实验主要相似常数

表2 物理模型煤岩层主要实验参数

实验结果如图1所示，可以看出：

1）工作面推进20 m过程中，直接顶周期性有序破断，并以组合悬梁结构状态直接作用于采场支架上方。

2）工作面推进70 m时，采空区垮落高度增加，顶板下沉空间超过破断块体间挤压极限允许下沉量，块体间将无法形成铰接岩梁结构，只能以非铰接岩梁的结构形式存在。

3）工作面推进120 m时，上覆岩层空间逐渐变小，破断顶板允许下沉量将小于上覆岩层极限回转量，加之破断块体间存在较大的挤压力，高位顶板破断块体间将形成砌体梁结构。

图1 工作面推进过程中的覆岩破断特征

1.2 采场顶板结构模型

综合前述模拟结果可以看出，采空区顶板破断结构具有以下特点：

1）工作面初采期间，直接顶以组合悬梁结构形式存在。一般软弱顶板，断裂线位于支架尾梁，工作面支架主要承受覆岩的重量；对于岩性较为坚硬的顶板，断裂线一般滞后支架尾梁一定距离形成悬梁结构，此时支架除承担垮落顶板重量外，还受到悬梁顶板力矩作用。

2）非铰接顶板结构块体规则排列，块体间无相互挤压作用力。当组合悬梁上方为软弱顶板岩层，非铰接顶板结构转化为组合悬梁结构。当上方顶板岩层硬度较大时，顶板非铰接结构破断尺寸较大，破断顶板块体向采空区侧延伸，受采空区矸石作用面积较大，采空区矸石支撑作用增强，从而减弱了对下方组合悬梁结构的作用。

3）非铰接顶板上的坚硬岩层断裂后，其允许下沉量有限，此时破断块体间相互挤压形成铰接顶板结构。其上覆顶板呈现非贯通式断裂，以弯曲下沉为主。

基于上述分析，大采高工作面覆岩顶板“组合悬梁结构-非铰接顶板结构-铰接顶板结构”模型见图2。

图2 大采高工作面顶板结构模型

2、采场支架与围岩关系及支护阻力计算

依据前文研究内容，在忽略底板的影响后，大采高综采采场支架围岩相互作用体系由支架-组合悬梁结构-非铰接顶板结构-铰接顶板结构组成。

2.1 顶板组合悬梁结构与支架相互作用关系

上方关键层破断失稳前，工作面支架主要承受直接顶岩层组合悬梁结构作用，大采高煤层工作面支架与直接顶岩层组合悬梁受力模型如图3所示。

图3 顶板组合悬梁结构模型

图3中，PZ为工作面支架阻力；c为支架阻力作用点距顶板断裂线位置（一般位于煤壁位置）的距离；Rx为组合悬梁上方覆岩对组合悬梁结构作用力；lx为组合悬梁上方覆岩作用力距顶板破断线距离。

对图中O点取矩，由此计算得到大采高煤层组合悬梁顶板结构的稳定条件为：

式中：h1i为组合悬梁顶板第i分层厚度，i为分层顶板序号。

由式（1）可知，顶板组合悬梁结构的稳定条件除与悬梁结构多层顶板的自身重量、厚度、断裂角度、顶板破断尺寸以及工作面支架自身承载能力与作用点位置有关外，还将受到组合悬梁结构上覆岩层的间接作用力及其作用点位置的影响。

顶板组合悬梁结构上覆岩层失稳破断前，覆岩完整顶板结构对已破断顶板组合悬梁结构作用力可以忽略不计，即Rx=0。根据式（1）可以确定大采高煤层工作面顶板组合悬梁结构临界失稳条件下的支架阻力为：

由式（2）可知，大采高煤层工作面组合悬梁顶板结构对工作面支架阻力主要取决于悬梁结构多层顶板的自身重量、厚度、断裂角度、顶板破断尺寸以及工作面支架阻力作用点位置。

2.2 顶板非铰接结构与组合悬梁结构相互作用关系

顶板非铰接结构的受力特征如图4所示。

图4 非铰接顶板结构模型

从图4中可知，非铰接顶板结构除受到自身岩层重量与覆岩载荷作用的影响外，还受到来自下部顶板组合悬梁结构及采空区冒落矸石的支撑作用。此时顶板结构在诸力的协同作用下保持平衡与稳定，对非铰接顶板组合结构的O点取矩，得到非铰接顶板结构的稳定条件为：

式中：Rx、Ry分别为下部组合悬梁以及采空区冒落矸石对上覆非铰接顶板结构的作用力；lx、ly分别为作用力Rx、Ry距O′点的距离；R1、l1分别为上覆岩层对非铰接顶板结构的作用力及作用点位置；k′为非铰接顶板总层数；P2i、l2i、h2i、α2i分别为非铰接顶板结构第i分层重量、长度、厚度以及破断角，i取值为1～k′。

从式（3）可以看出，来自顶板结构覆岩的载荷作用连同结构自身的重量是在下部组合悬梁结构与采空区冒落矸石的联合作用下保持一定平衡的。顶板覆岩载荷一定条件下，工作面组合悬梁结构对其的作用力与采空区矸石支撑力之间成反相关关系，提高采空区矸石支撑作用将对于降低组合悬梁结构的受力起到一定积极作用。

根据式（1）所示的顶板组合悬梁结构稳定条件，得到非铰接顶板结构临界失稳条件下的工作面支架阻力为：

“工作面支架-采空区矸石-顶板组合悬梁结构-顶板非铰接结构”结构受力特征如图5所示。

图5 非铰接顶板结构下的承载系统受力

工作面支架在覆岩顶板重量及采空区矸石的联合作用条件下保持稳定。联立上式，计算得到非铰接顶板结构作用下支架支护阻力为：

其中：

式中：G1、G2、G3分别为与覆岩顶板重量、相关几何尺寸以及采空区矸石作用力、作用点位置有关的工作阻力分量。

2.3 顶板铰接结构与非铰接结构相互作用关系

考虑到铰接顶板结构层位处的覆岩允许挠曲空间有限，顶板分层间作用力分布相对均匀，因此这里将铰接结构分层顶板间的作用力分别简化为作用于分层破断块体中部的集中载荷，以其中两关键岩块为研究对象建立力学模型，如图6所示。

图6 两关键块体运动结构与受力

图中，P1、P2分别为块体承受的载荷（含自重）；θ1、θ2分别为两相邻块体的旋转角；w1、w2分别为两块体的下沉量；QA、QC为块体接触面上的摩擦力；R1、R2分别为两块体受下部岩层的支撑力；l1、l2分别为两块体破断长度；T为块体结构间水平推力。

得到块体结构运动过程中的几何关系分别满足：

式中：h为破断顶板岩层厚度；a1、a2分别为两块体间的挤压接触面长度，鉴于较强挤压力作用下破断块体间的接触为塑性铰接关系，因此假定水平推力的作用点位置处于挤压接触面长度的一半位置。

铰接顶板结构在围岩载荷的共同作用下处于平衡状态，根据结构竖直方向上的平衡条件得到：

从砌体梁全结构计算可知，R2=1.03P2，且由于右侧块体受到覆岩顶板及采空区冒落矸石的钳制，块体竖直方向的受力特征可近似表达为R2=P2；煤层开采过程中顶板周期性破断，由于顶板赋存条件变化较小，顶板周期性破断步距基本一致，因此这里取l1=l2，由此得到覆岩顶板铰接块体受力特征分别为:

其中，i=i1=i2。

“工作面支架-采空区冒落矸石-顶板组合悬梁-非铰接顶板-铰接顶板”承载系统受力特征见图7。

图7 铰接顶板结构下的系统承载特征

对于顶板非铰接结构以及组合悬梁结构的探讨在前文中已经有所论述，因此这里重点对覆岩铰接顶板结构进行分析。顶板铰接结构在其上覆岩层重量及围岩支撑、挤压作用力下保持平衡与稳定，结构受力特征如图8所示。

图8 铰接顶板结构受力特征

图中，R1为下部非铰接顶板结构对铰接顶板的作用力；k″为铰接顶板分层的总层数；P3i、l3i、h3i、α3i分别为铰接顶板结构第i分层顶板的重量、长度、厚度以及破断角，i取值为1～k″；QAk″、QBk″分别为铰接顶板破断块体挤压面上的摩擦力；T3k″为破断块体挤压面上的挤压力。

同理，根据顶板铰接结构的力矩平衡条件，计算得到顶板铰接结构对其下部岩层的作用力为：

2.4 工作面支架工作阻力的确定

采场支架受力来源于直接顶重量和基本顶运动对支架的作用。支架支护阻力要能适应覆岩结构失稳运动的变化，承载结构自身重量以及运动产生的附加载荷。基于前几节的分析，联立式（1）、式（3）以及式（12），计算得到工作面支架工作阻力计算公式为：

其中：

式中：p1～p4分别为铰接顶板结构下的工作面支架阻力分量。

可以看出，p1主要由覆岩组合悬梁、非铰接顶板结构的岩层自身重量以及采空区矸石支撑作用所引起的支架阻力分量；p2主要由铰接顶板岩层重量及铰接破断块体间相互作用所引起的阻力分量；p3主要由非铰接顶板结构以及采空区冒落矸石的附加作用所引起；p4主要来自铰接顶板破断块体运动过程中的附加作用。

3、工程实例

3.1 支架工作阻力的确定

以晋华宫煤矿8218大采高煤层工作面开采条件为背景，顶板组合悬梁结构的高度约为26.1 m，是由煤层上方第1～6层分层顶板组成，顶板组合悬梁结构岩层物理力学特征如表3所示。

表3 8218大采高工作面顶板组合悬梁结构岩层物理力学特征

将表3数据代入式（2），取断裂角为85°，仅考虑组合悬梁结构的作用，工作面支架支护阻力约为12 MN。

8218大采高煤层非铰接顶板结构是由覆岩第7～10号顶板分层组成，其物理力学特征如表4所示。

表4 8218大采高工作面非铰接顶板结构岩层物理力学特征

将表4数据代入式（3），如覆岩顶板铰接结构稳定，非铰接顶板断裂角取85°～90°，考虑组合悬梁、非铰接顶板结构的作用时，8218大采高工作面支架阻力应在12～13 MN之间。

最后，分析铰接顶板结构作用下工作面支架的受力。工作面铰接顶板结构为第11号细中粗砂岩顶板破断后的砌体梁结构，其物理力学特征如表5所示。

表5 8218大采高工作面铰接顶板结构岩层物理力学特征

将表5数据代入式（9）～式（13），得到8218大采高综采工作面支架支护阻力应在13～15 MN之间。因此，晋华宫煤矿8218大采高工作面合理的支架工作阻力应不小于15 MN。

3.2 支架适用性实测分析

结合支架工作阻力计算结果，并考虑到矿区现有设备情况，减少已有设备闲置，对于8218处于同样工作面环境的8210大采高综采工作面选用山西平阳重工机械有限责任公司生产的ZZ13000/28/60型液压支架，其主要技术参数如表6所示。

表6 ZZ13000/28/60型液压支架主要技术参数表

同时辅以超前爆破预裂顶板控制技术措施加以对顶板的控制，工作面超前深孔预裂爆破钻孔布置如图9所示。

图9 8210工作面超前爆破预裂顶板钻孔布置图

对8210大采高工作面矿压显现进行了现场实测。实测采用尤洛卡综采压力自动记录仪，连续记录工作面支架的压力显现情况。根据工作面倾斜方向矿压显现的差异，将工作面分为3个测区，在中部测区25#、40#、55#、70#与80#支架位置处布置5条测线，两端部测区分别在10#与89#支架位置各布置1条测线，如图10所示。

图1 0 8210大采高综采工作面矿压观测测站布置图

实测结果表明，工作面支架末阻力平均值为8 731 kN，占支架额定工作阻力（13 000 kN）的67.2%；顶板来压期间，工作面支架最大工作阻力为12 611 kN，占支架额定工作阻力的97.0%；支架时间加权工作阻力平均值为8 540 kN，占支架额定工作阻力的65.7%，其中最大值为11 186 kN，时间加权阻力最大值约占工作面支架额定阻力的86.1%。说明工作面正常回采期间，所选用的ZZ13000/28/60型四柱支撑掩护式液压支架支护效率得到充分发挥，未发生工作面压架事故，能满足大采高煤层顶板的控制要求。

4、结论

1）大采高工作面回采过程中，覆岩直接顶以组合悬梁的结构形式存在，随着垮落高度的增加，冒落矸石逐渐充填采空区空间，块体间无法形成铰接岩梁结构，这部分岩层以非铰接结构的形式存在，由于非铰接结构岩层破断块体较大，垮断后排列规则，非铰接结构以上岩层破断时，破断块体间挤压力相对较大，最终形成铰接顶板结构。大采高综采工作面覆岩顶板呈现“组合悬梁结构-非铰接顶板结构-铰接顶板结构”的形态特征。

2）大采高工作面开采时，支架与铰接顶板结构之间的顶板岩层不能简单视为直接顶，支架与围岩相互作用体系由铰接顶板结构-非铰接顶板结构-组合悬梁结构-支架组成。根据支架与围岩相互作用原理，支架支护阻力要能适应覆岩结构失稳运动的变化，承载结构自身重量以及运动产生的附加载荷，据此得到了工作面支架支护阻力计算公式。

3）计算确定了8210大采高工作面液压支架合理支护阻力。矿压观测结果表明，所选用ZZ13000/28/60型四柱支撑掩护式液压支架在工作面回采期间支护效率较高，未发生工作面压架事故，能满足顶板控制的要求。

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文章来源:吴锋锋.大采高工作面顶板结构模型及液压支架支护阻力计算[J].晋控科学技术,2024,(06):1-7+11.