上面我们已经分析并明确了支架初撑力与组成覆岩的直接顶、基本顶、整体弯沉带岩层运动的定性定量关系。从分析中知道直接顶岩层因自重产生的增阻、恒阻运动与初撑力的关系是“必须立即控制”与“必须立即被控制”的关系。这就是说,它因自重产生的运动(增阻、恒阻)必须由支架初撑力来立即控制(图4-1下部),但是这种初撑控制是最基本的合理控制。对于直接顶岩层来说,它又分为完整稳定与松软破碎两种不同情况,它们各自对应着自己的合理初撑控制程度,因此,分别分析控制它们运动所应具备合理初撑力。

1.支架控制采场上方完整稳定直接顶岩层运动所具备合理初撑力的确定

在支架具有控制采场上方直接顶岩层运动最基本合理初撑力与控制基本顶断块恒阻运动合理额定工作阻力及直接顶底板岩层完整稳定或比较完整稳定条件下,该直接顶岩层能够很好地或比较好地将支架控制基本顶断块运动所具备合理额定工作阻力传递给该基本顶断块,使支架能顺利地或比较顺利地完成增阻全过程,且存在大或较大恒阻过程,达到其所具备的合理额定工作阻力,实现了支架对采场上方直接顶岩层及基本顶断块因自重产生来压运动的合理且有效控制。也就是说,在直接顶底板岩层完整稳定条件下,具有控制直接顶岩层运动最基本合理初撑力及控制基本顶断块运动合理额定工作阻力支架,能够很好地完成或比较好地完成控制覆岩运动任务。因此,在这种条件下,控制整个覆岩运动,支架只具备控制采场上方直接顶岩层运动最基本合理初撑力就足够了(式4-1)。

2.支架初撑力与采场上方松软破碎直接顶岩层运动定性定量关系分析及控制该直接顶岩层运动所具备合理初撑力的确定

在直接顶底板岩层松软破碎条件下,由于直接顶底板岩层松软破碎,刚度小,它不具备将支架具备的控制基本顶断块运动的合理额定工作阻力传递给基本顶断块能力,使支架具备的控制基本顶断块运动合理额定工作阻力得不到很好地传递与发挥。具有合理额定工作阻力的支架在基本顶来压运动迫使其增阻过程中,松软破碎直接顶在支架阻力与基本顶断块运动挤压下将产生变形或通过顶板冒漏,导致支架增阻过程延长而完不成增阻全过程就使顶板增阻下沉量超限,达不到支架所具备的合理额定工作阻力,不能实现对基本顶断块运动有效控制。由此看出,直接顶底板岩层完整稳定性即它的松软破碎程度决定着顶板的增阻过程,也就是决定着工作面顶板增阻下沉量。直接顶岩层越松软破碎,由它形成顶板增阻下沉量就越大,而对于增阻下沉量大的松软破碎直接顶底板岩层来说,它恰恰需要支架初撑力的控制,那么如何对其初撑控制呢? 又需要将其控制到什么程度呢? 对于上述问题,只有在分析了支架初撑力与松软破碎直接顶岩层运动作用机理后,才能得到解决。当松散破碎直接顶岩层在得不到支架初撑力的及时控制时,由于煤层的采出,其所处三向围压平衡状态解除,它必然导致由原生破坏造成的已经破碎直接顶板岩层发生先扩容、再松、后散的再破坏过程,使直接顶板岩层因采动而变得更加破碎,势必造成支架增阻缓慢、顶底板增阻下沉量增加,进而导致直接顶板、基本顶断块更加难以管理控制。支架初撑力的作用及优势,就在于它能够立即、主动、及时控制顶板岩层使之不产生松散运动过程,保持其原有刚度及完整稳定性,减少顶板增阻下沉量。为了充分利用支架初撑力这一优势,如果在解除围压平衡的直接顶未发生扩容、松、散这个破坏过程之前,就以支架初撑力将其立即主动地挤紧、压实并阻断其产生松散破碎过程,保持其原有的刚度及完整稳定性,那么它就能很好地将支架具备的控制基本顶断块运动的合理额定工作阻力传递给基本顶断块,从而达到提升对基本顶断块运动的控制效果。由此看出,对于松散破碎的直接顶岩层来说,争取时间,把预防直接顶板再松散破碎的工作做在前头,利用支架初撑力能够做到尽快极早立即主动挤紧压实端面顶板及采场上方直接顶岩层的优势,最大限度保持其原有完整稳定性,减少直接顶因再松散破碎而产生的增阻下沉量,实现对松软破碎直接顶及基本顶断块运动有效控制是十分重要的。这就是在松散破碎直接顶岩层条件下,在支架已具备最基本初撑力基础上,需要再增加初撑力及利用该初撑力立即主动挤紧压实顶板并提高其刚度的作用机理。这就是说支架只具备有控制采场上方直接顶岩层运动最基本的合理初撑力是不够的。该初撑力它只具有立即控制采场上方松软破碎直接顶与其上基本顶断块进行同步运动而不会产生离层运动能力,而不具备立即主动挤紧、压实松散破碎直接顶岩层并使其不发生再松散破碎能力,所以该直接顶岩层仍旧会发生再次松软破碎,使顶板难以管理。因此,在支架已具备控制采场上方松软破碎直接顶岩层运动最基本合理初撑力的基础上,还需要再增加将其挤紧、压实提高其刚度初撑力,以提升支架对直接顶、基本顶断块运动控制效果。对于松散破碎的直接顶岩层来说,这也是支架在已具备最基本合理初撑力基础上再增加控制其运动初撑力依据。但需要说明的是,这并不是支架为控制基本顶断块本身运动需要增加的初撑力,而是为提高松散破碎直接顶岩层的刚度,增加其传递支架阻力的能力,需要支架控制松散破碎直接顶岩层运动增加的初撑力。由此看出,当直接顶底板岩层松软破碎时,基本顶断块运动也不需要支架初撑力控制。对于软岩直接顶底板来说,增加对其初撑控制程度也有效果,但没有那么理想。在松软破碎即不稳定直接顶岩层中,松散破碎属性岩层占多数,而软岩属性岩层较少。因此,对于松软破碎直接顶岩层来说,支架初撑力与其运动关系是,在其具备控制控顶范围内直接顶岩层因自重运动基本初撑力基础上,还应再增加一定数量地挤紧压实松软破碎直接顶板岩层的初撑力,以提升对顶板岩层运动控制效果。这就是支架初撑力与松软破碎直接顶岩层变形运动定性作用机理。

由上述分析知道,在直接顶底板岩层完整稳定条件下,支架控制整个覆岩运动只具备控制采场上方直接顶因自重运动基本初撑力就足够了(式4-1)。而对于松软破碎直接顶底板岩层,在支架具备上述初撑力基础上,还需要再增加一定数量为防止其因采动而发生再松散破碎的初撑力,用来减少顶板增阻下沉量,提升支架额定工作阻力对基本顶断块运动控制效果。也就是说,在这种条件下,用提高支架初撑力,利用其立即主动挤紧压实新暴露直接顶方法,保持该直接顶岩层原有刚度,来提升支架对顶板岩层运动控制效果。因此,利用支架初撑力控制松软破碎直接顶板增阻下沉量,就是控制该直接顶板刚度。那么支架初撑力应增加多少呢? 也就是松软破碎直接顶底板岩层刚度应增加多少呢? 它取决于直接顶岩层松软破碎程度即顶板分类方案,也就是取决于顶板在支架增阻过程中产生增阻下沉量相对于允许下沉量大小。当直接顶岩层刚度相对高、增阻下沉量相对小时,支架初撑力增加应少些;而当直接顶岩层刚度相对低、增阻下沉量相对大时,支架初撑力增加应多些。因此,为确保支架对松软破碎直接顶岩层控制效果,达到合理控制顶板岩层运动目的,支架初撑力必须将直接顶板增阻下沉量控制在允许增阻下沉量范围以内,至少控制的使其等于允许增阻下沉量。在控制的使其等于允许增阻下沉量时,支架控制松软破碎直接顶岩层运动所应增加初撑力就是支架对顶板最小合理初撑控制程度,也是支架应增加最小合理初撑力。因此超过工作面顶板允许增阻下沉量的那部分工作面实测增阻下沉量,就应该而且必须由支架初撑力来控制。超过工作面顶板允许增阻下沉量的那部分增阻下沉量它就等于工作面顶板实测增阻下沉量Sdz减去工作面顶板允许增阻下沉量Sy,即Sdz-Sy。控制这一增阻下沉量,支架应增加初撑力就是最小合理初撑力,这个初撑力就等于该下沉量与直接顶岩层允许刚度的乘积。松软破碎直接顶底板岩层的允许刚度,它就等于支架所具备合理额定工作阻力与顶板允许增阻下沉量即允许下沉量的比值,其式如下:

式中:

Ey——直接顶板允许刚度,kN/mm;

Phe——支架控制覆岩运动具备合理额定工作阻力,kN;

Sy——工作面顶板允许增阻下沉量,即等于允许下沉量的顶板增阻下沉量,mm。

由上式计算出允许刚度它只是保证该直接顶岩层不发生采动破碎最低合理刚度,也只能实现对顶板运动的最低合理控制。

因此,对于松软破碎直接顶岩层来说,支架在具备控制采场上方直接顶岩层因自重运动基本初撑力基础上,为提升控制效果再增加最小合理提效初撑力,可按下式计算:

式中:

Ptmin——支架控制松软破碎直接顶岩层运动所增加最小合理提效初撑力,kN;

Sdz——工作面顶板实测增阻下沉量,mm,其中Sm≥Sdz≥Sy。

需要说明的是,松软破碎直接顶岩层工作面顶板实测增阻下沉量取值范围它应小于等于工作面顶板最大下沉量Sm(基本顶断块末端下沉量Sm),而大于或等于工作面顶板允许下沉量Sy,即Sm≥Sdz≥Sy。这就是说该增阻下沉量取值范围所对应顶板就是松软破碎不稳定直接顶岩层。

由上式计算出最小合理提效初撑力,它只能使直接顶板刚度达到最低合理允许刚度,保证具有合理额定工作阻力支架紧紧能完成增阻全过程,达到其所具备的合理额定工作阻力,实现对基本顶断块运动的最低合理控制。这种对松软破碎直接顶岩层控制效果提升只是最低程度提升,是不理想的,也是不够的,为达到更好地、合理地控顶效果,应将顶板增阻下沉量控制的小于允许增阻下沉量。也就是在允许增阻下沉量中减去一定的合理提效增阻下沉量Ss,即Sy-Ss,该下沉量就是提效后,工作面顶板控制到的增阻下沉量,简称提效后顶板增阻下沉量。而超过该提效后顶板增阻下沉量的那部分顶板增阻下沉量,即Sdz-(Sy-Ss),就是应该而且必须由支架初撑力来控制的下沉量,而控制这部分下沉量,支架所应具备合理提效初撑力,它就等于该下沉量与提效后直接顶岩层刚度Ed的积。因此支架控制松软破碎直接顶岩层运动所增加合理提效初撑力可按下式计算:

式中:

Pth0——支架控制松软破碎直接顶岩层运动所增加合理提效初撑力,kN;

Ss——合理提效增阻下沉量,mm,其中Sy≥Ss＞0;

Ed——提效后,松软破碎直接顶岩层刚度,它就等于支架合理额定工作阻力除以提效后顶板控制到的增阻下沉量,即

式中其他符号含义同前文。

式(4-4)、式(4-5)就是支架初撑力与松软破碎直接顶岩层变形运动定量关系。

由式(4-5)看出,对于松软破碎直接顶岩层来说,工作面顶板允许增阻下沉量范围内的下沉量,也就是提效增阻下沉量取值范围内的增阻下沉量(Sy≥Ss＞0),就成了支架初撑力对该顶板控制效果提升的调节指标,它也是支架初撑力对松软破碎直接顶岩层刚度提升的量度指标。对允许范围内的增阻下沉量控制得越小,也就是提效增阻下沉量取得越大,需要支架增加提效初撑力也越大,它对松软破碎直接顶挤紧压实程度就越高,其刚度越大,支架对松软破碎直接顶岩层控制效果也就越好。所以合理提效增阻下沉量Ss就成了支架控制松软破碎直接顶岩层运动所需要增加合理提效初撑力重要参数。因此在确定控制松软破碎直接顶岩层运动支架所应增加合理初撑力前,应首先确定一个合理提效增阻下沉量,在此基础上依据式(4-5),就能求出支架应增加的合理提效初撑力。合理提效增阻下沉量应选择在小于允许增阻下沉量范围以内,也就是选择在它的取值范围内即Sy≥Ss＞0以内。由此看出,确定一个合理提效增阻下沉量,就成了支架控制松软破碎直接顶岩层运动增加合理初撑力确定的关键。因此在确定该参数时,首先要考虑对该松软破碎直接顶岩层运动控制效果提升,也就是应将顶板控制在比较稳定或者稳定二类或一类的指标上,使顶板处于比较好或者好的管理状态,同时又要考虑支架、泵站设备制造及其使用便利性。

需要说明的是,对于松软破碎直接顶岩层来说,当其增阻下沉量超过工作面顶板允许增阻下沉量时,需要支架增加对它的初撑控制程度,也就是该顶板需要支架提效初撑力控制。但是在顶板增阻下沉量略小于允许增阻下沉量Sy,特别是接近于允许增阻下沉量的情况下,顶板也还是比较松软破碎而难以管控。因此,当着在顶板增阻下沉量略小于允许增阻下沉量Sy情况下,接近于允许增阻下沉量附近的一定范围内的增阻下沉量,也需要利用提效增阻下沉量来提升对顶板岩层控制效果。需要说明的另一种情况是,在利用式(4-5)计算支架合理提效初撑力时,如计算出的量值大于支架控制覆岩运动具备的合理额定工作阻力,应首先认真检查提效增阻下沉量选取是否合理,如果不合理,是提效增阻下沉量选取大了,那就需要调小提效增阻下沉量,以使支架提效初撑力趋于合理。在经过认真检查后,如确认增阻下沉量选取是合理的,就应以计算出的合理提效初撑力作为支架控制覆岩运动所应具备合理初撑力。由于初撑力同时具有控制顶板增阻、恒阻运动的双重作用,所以该合理初撑力在实现对覆岩增阻运动合理控制的同时,也实现了对覆岩恒阻运动合理控制。但是这种情况出现概率很小,只有当直接顶板岩层特别松软破碎时,才可能出现。现在世界各国使用的液压支架的合理额定工作阻力都大于合理初撑力,但出现合理初撑力大于合理额定工作阻力的情况,无论在理论还是在实践上并不能排除。(www.daowen.com)

由上述分析看出,控制松软破碎直接顶岩层运动支架所应具备合理初撑力由两部分组成,即由控制采场上方松软破碎直接顶因自重运动初撑力(最基本初撑力)与控制其因松软破碎增加的提效初撑力组成。因此,沿工作面长度方向上,控制每米松软破碎直接顶岩层运动支架所应具备合理初撑力Pzz0为:

该合理初撑力也是支架控制整个采场上覆岩层运动所应具备的合理初撑力。

经对松软碎直接顶提高初撑控制程度后,顶板增加刚度可按下式计算式。顶板增加刚度它就等于松软破碎直接顶岩层提效后的刚度与提效前刚度的差,即:

式中:

Ez——提效后松软破碎直接顶岩层增加刚度,kN/mm;

Ed——提效后松软破碎直接顶岩层刚度,kN/mm;

Ec——提效前松软破碎直接顶岩层刚度,kN/mm;

Sd——工作面控制到的顶板增阻下沉量,即提效后的增阻下沉量,即Sd=Sy-Ss,mm。

对于松软破碎直接顶岩层来说,在支架具备控制采场上方松软破碎直接顶岩层基本初撑力基础上,给出了再增加防止其松散破碎的提效初撑力计算方法,从而使支架初撑力与整个覆岩运动定性定量关系得到圆满彻底解决。

对于松软破碎直接顶岩层来说,它不仅需要支架初撑力控制,而且还需要支架初撑力的立即及时控制,如支架初撑力控制不及时,顶板在初撑控制前就已经发生了松散破碎,此时就是使支架具备了足够初撑力,也无济于事。因此,在顶板暴露之时支架就应做到立即跟进并注液升架,及时地将新暴露端面顶板挤紧压实,不给它产生再松散破碎机会,只有这样新暴露直接顶板岩层的原有完整稳定性才能得到支架初撑力的有效控制,也使其原有刚度得以保持与提升,从而提高支架额定工作阻力对基本顶断块运动控制的质量,这已被现场实践所证明。由此看出,及时支护是多么重要。

由上述分析可以得出这样一条重要结论:在利用支架初撑力具有立即、主动、及时挤紧压实松软破碎直接顶,提高其刚度,减少其增阻下沉量,提升对基本顶岩层运动控制效果分析基础上,研究了支架初撑力与该松软破碎直接顶增阻下沉量、刚度定性定量关系,建立了它们之间关系数学模型,使支架初撑力与松软破碎直接顶运动关系及支架控制该岩层运动所应具备合理初撑力得到彻底解决。由此看出,顶板允许下沉量是用来确定支架控制顶板恒阻运动所应具备合理额定工作阻力的;而顶板允许增阻下沉量是用来确定支架控制采场上方直接顶岩层增阻运动所应具备合理初撑力的。

由支架初撑力、额定工作阻力与覆岩运动关系分析看出,在直接顶岩层完整稳定条件下,具有合理额定工作阻力支架,经增阻达到合理额定工作阻力后,用来控制顶板允许下沉量中的恒阻下沉量,它与支架控制直接顶岩层运动合理初撑力协同完成控制覆岩运动任务;对于松软破碎不稳定直接顶岩层来说,具有合理初撑力支架用来控制超标的顶板增阻下沉量或允许增阻下沉量中的部分增阻下沉量,协同并配合具有合理额定工作阻力支架,好地或比较好地共同完成控制覆岩运动任务。简言之,以支架额定工作阻力控制顶板岩层恒阻下沉量,以支架初撑力控制顶板岩层增阻下沉量,由它们协同配合并共同完成控制覆岩运动的任务。

为充分说明支架控制松软破碎直接顶岩层运动支架合理初撑力确定,现举一例如下:

某矿某工作面直接顶板属松散破碎顶板,液压支架合理额定工作阻力为Phe=6000kN,工作面顶板的实测增阻下沉量为Sdz=105mm,其顶板允许增阻下沉量即允许下沉量为Sy=80mm。而合理提效增阻下沉量定为Ss=20mm,也就是将顶板增阻下沉量控制到Sd=80mm-20mm=60mm,支架控制该直接顶因自重运动所具备基本初撑力Pzho=950kN。求控制该顶板运动,支架应增加的最小提效初撑力是多少? 合理提效初撑力及支架控制覆岩运动所应具备合理初撑力是多少? 提效后直接顶岩层刚度是多少? 该顶板刚度增加了多少? 支架具备的合理初撑力在合理额定工作阻力中占的比重又是多少?

1.计算支架控制该松散破碎直接顶岩层运动所应增加的最小合理提效初撑力Ptmin:

2.计算支架控制该松散破碎直接顶岩层运动所应增加的合理提效初撑力Ptho:

3.计算支架控制该松散破碎直接顶岩层运动即控制整个采场上覆岩层运动所应具备的合理初撑力Pzzo:

Pzzo=Pzho+Ptho=950+4500=5450kN

4.计算该工作面顶板提效后刚度及增加值:

该工作面顶板提效后刚度为100kN/mm,其刚度增加值为43kN/mm。

5.计算支架控制该覆岩运动具备合理初撑力在合理额定工作阻力中占的比例g:

通过对该面松散破碎直接顶岩层合理初撑控制程度提高及初撑及时支护,使松散破碎直接顶岩层得到了挤紧与压实,提高了刚度,顶板管理效果及支架工作状态得到了明显改善,支架也出现了恒阻工作过程,实测顶板最大恒阻下沉量为23mm。