近距離煤層綜采工作面支架支護強度的確定

李向波

(山西陽城陽泰集團晶鑫煤業 新井分公司，山西 晉城 048000)

在近距離煤層開采過程中，由于上部煤層已經開采，上覆巖層已經受到破壞，在下部煤層開采過程中，覆巖結構及移動規律都表現出了與單一煤層不同的特征。而目前綜采工作面支架工作阻力確定的方法更多的是以單一煤層開采來進行的，對于近距離煤層綜采工作面支架工作阻力的確定方法還沒有深入開展[1-2]。因此本文以程家溝煤礦近距離煤層綜采工作面支架工作阻力選擇為背景，對近距離下煤層回采過程中覆巖結構特征及支架載荷來源進行了分析，提出了支架工作阻力計算方法，為近距離煤層安全回采提供科學依據。

1 工作面概況

程家溝煤礦位于山西省晉中市，礦井主采9號、10號煤。9號煤層位于太原組下部，平均厚度為2.4 m，傾角1～5°，直接頂為泥巖，平均厚度4.2 m，基本頂為粉砂巖，平均厚度10.8 m，煤層劃分為4個盤區，目前9號煤層1～3盤區已經回采完畢。10號煤層平均厚度4.2 m，直接頂為泥巖和砂質泥巖，平均厚度3.7 m，直接底為泥巖，平均厚度2.2 m。兩煤層之間層間距離平均3.7 m，屬于近距離煤層。10101綜采工作面為10號煤層1盤區首采工作面，工作面長度205 m，設計采高4.2 m，推進長度1 023 m。其上部為9101綜采工作面采空區。

2 工作面覆巖結構分析

垮落帶高度可以根據經驗公式(1)求得[3]：

(1)

式中：H1為垮落帶高度，m；k矸石的充填系數，取1.25；M為煤層厚度，m。

將9101、10101工作面相關參數代入式(1)中，得到9101、10101工作面垮落帶高度分別為9.6 m、16.8 m，超過了兩煤層之間的巖層。

由計算可知，下煤層工作面回采垮落帶高度大于上部煤層開采所形成的垮落帶，形成了如圖1所示的結構[4]。下煤層開采過程中，其上部直接頂巖層不能完全充填采空區，需要更大厚度的巖層矸石冒落后對采空區進行充填來保證采場平衡。兩煤層之間的層間巖層隨回采繼續而不斷冒落，原來上煤層開采后的采空區矸石也隨之冒落，使得原來已經穩定的上煤層裂隙帶巖層再次受到采動影響發生二次破壞，裂隙帶向上延伸，直至冒落矸石充滿采空區形成了新的采場平衡為止。

圖1 下煤層開采后覆巖結構示意

由圖1可知，支架載荷主要來源于三部分，即：煤層直接頂的重量、垮落帶冒落矸石的重量和新增裂隙帶巖層重量。因此：

P1=Q1+Q+QZ=(H1+k'H3+HZ)γ

(2)

由圖1可得：

M+H1+k'H3+HZ=kH1+k"H3+kHZ+S

(3)

新增的垮落帶厚度HZ為：

(4)

由于工作面來壓時，頂板存在一定的運動，因此計算支架工作面阻力應該考慮一定的動載系數，取1.15～1.35[5]。因此支架支護強度為：

P=(1.15～1.35)P1

(5)

式中：QZ為新增垮落帶巖層重量；HZ為新增垮落帶高度；k' 為矸石的殘余碎脹系數，取1.05；k"為二次垮落矸石碎脹系數，取1.03；S為基本頂觸矸彎曲下沉量，取0.35 m。

將程家溝煤礦10101工作面相關參數代入公式(5)中，得到工作面支護強度為：

P=(1.15～1.35)(Q1+Q+QZ)

=(1.15～1.35)(H1+k'H3+HZ)γ

=(1.15～1.35)×(3.7+1.05×9.6+12.5)×25

=0.76～0.88 MPa

因此為了保證程家溝礦安全生產，10101工作面液壓支架支護強度選0.9 MPa。

3 數值模擬試驗

為了進一步驗證支架支護強度的合理性，采用FLAC數值模擬試驗對0.3～1.1 MPa不同支護強度情況下支架的支護效果進行了分析，分析結果如圖2所示。

圖2 控頂區內頂板下沉量與支架支護強度的關系曲線

圖2為工作面推進不同距離時，控頂區內頂板下沉量與支架支護強度之間的關系。從圖中可以明顯看出，隨工作面回采到不同位置時，隨著支架支護強度的增加，控頂區內頂板下沉量均呈現出同一種變化特征，即隨支護強度增加頂板下沉量逐漸減小，減小到一定程度后，趨于穩定。支護強度在0.3～0.9 MPa之間時，增加支護強度，頂板變化較明顯，當支護強度大于0.9 MPa時，繼續增加支護強度，頂板下沉量變化不大，因此可以看出0.9 MPa為近距離煤層10101工作面最優的支護強度，與計算結果相符合。

4 現場實測

根據計算選擇支架支護強度為0.9 MPa，結合現場實際參數確定支架工作阻力為：

F=PBL=0.9×5.69×1.75×103=8 962 kN

式中：F為支架工作阻力，kN；B為支架最大控頂距,取5.69 m；L為支架中心距,取1.75 m。

因此10101工作面配備了鄭州煤機廠的ZY9000/38/50D型支架。通過對工作面推進300 m的支架工作阻力進行監測，得到工作面來壓期間循環末阻力為7 857 kN，為支架額定工作阻力的87.3%，來壓期間支架工作阻力富余量充足，完全能夠承受來壓期間頂板變形載荷，因此選擇鄭州煤機廠的ZY9000/38/50D型支架，能夠滿足近距離煤層10101工作面安全回采的要求。

5 結 語

1) 通過理論分析，得出了近距離煤層下煤層工作面回采支架載荷主要來源于三部分，即：煤層直接頂的重量、垮落帶冒落矸石的重量和新增裂隙帶巖層重量。

2) 根據理論分析，建立了支架支護強度計算公式，確定了支護強度，通過數值模擬試驗，與理論計算結果相符合。

3) 通過現場礦壓實測，驗證了所選擇的ZY9000/38/50D型支架科學、合理。