大采高綜采放頂煤工作面支護阻力研究

劉志軍

(霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦， 山西 臨縣 033200)

1 前言

某礦所采煤層為9#煤層，9#煤層賦存于太原組中下部，上距5#煤層40.90～56.15m，平均距離50.63m，煤層賦存穩定，結構復雜，含一至二層夾矸，平均煤厚為11.8m，煤層傾角12°～36°，平均24°，為緩傾斜煤層。

9#煤層基本頂為砂質泥巖，厚度6～12m；直接頂為泥質灰巖，厚度5～7m；直接底為泥巖，厚度1～2m；基本底為細粒砂巖，厚度1～3m。9- 301工作面采用大采高綜放工藝，最大采深500m，采厚11.8m，采煤機割煤高度3.2m，割煤步距0.8m，放煤厚度8.6m，一采一放，采用單輪順序放煤方式，采放比1∶2.69。

2 支護阻力計算

2.1 工作面支護阻力計算

1)估算法確定支架工作阻力

工作面支架工作阻力支撐直接頂和頂煤的重量，并平衡基本頂失穩時對支架的動載，支護強度為

q=Kd·(q直+q頂煤)

(1)

式中，q為工作面支架所需支護強度；Kd為基本頂失穩時的動載系數，根據綜放工作面礦壓觀測結果，一般Kd=2.5～2.8；q直為直接頂自重應力，q直=γ直·h，γ直為直接頂重力密度，取25kN/m3，根據煤層結構，取h=11.8m；q頂煤為支架上方頂煤自重應力，q頂煤=γ煤·Md，γ煤為頂煤重力密度，取14.5kN/m3。

由于所開采煤層頂板強度較低，容易垮落，取Kd=2.8。

則：q=2.8×(11.8×25+8.6×14.5)=1 170kN/m2。

支護強度確定后，根據配套尺寸、支架的頂梁長度、空頂距算出支架工作阻力為[1]

P=q·(LK+LD)·B

(2)

式中：P——支架工作阻力，kN；

q——支架的支護強度，1 170kN/m2;

LK——空頂距，0.4m;

LD——頂梁長度，5.325m;

B——支架寬度，1.75m。

計算得出，支架工作阻力為11 722kN。

2) 固支板梁力學模型計算

按照固支板梁力學模型等較為不利的受力條件計算，較為穩定基本頂初次來壓步距有關計算公式為

(3)

式中:L0——基本頂初次來壓步距；

H——基本頂分層厚度 ，按12m考慮；

R′t——基本頂巖體抗拉強度為1.8～2.4MPa(據現場調研了解，9#煤層工作面基本頂節理、裂隙較發育，抗拉強度較低，整體性不強，有利于頂板的及時冒落，選取基本頂巖體抗拉強度1.8～2.4MPa)；

q——巖梁及上的均布載荷，取300t/m2。

帶入數值得9#煤層頂板初次來壓步距L0約為41.5～48m(目前礦壓觀測分析9#煤層頂板初次來壓步距約40m左右)。

Ⅳ級基本頂延米支護阻力下限為

RH=(241×lnLf+52.6hm-15.5N-455)BcCk

(4)

式中：Lf——基本頂的初次來壓步距，41.5～48m；

Ck——備用系數，1.45；

Bc——支架的控頂距，5.8m；

hm——工作面最大采高，3.3m；

N——直接頂厚度與采高之比，0.57。

代入數據得RH≈5 193～5 477kN/m。

支架工作阻力為

P=RH×Sc/Ks

(5)

式中：Sc——支架的中心距，1.75m；

KS——支撐效率，0.9。

代入公式得：支架工作阻力P≈10 100～10 650kN/架，對應的平均支護強度0.995～1.07MPa。

綜上所述，該支架工作阻力P為12 000kN，可滿足9- 301綜放工作面開采的要求。

2.2 回風巷超前破壞范圍

由于頂煤較厚，其冒落形狀為拱形，根據地質條件和開采條件，按照普氏免壓拱理論進行分析，如圖1所示 。按照普氏免壓拱理論[2]，巷道兩幫的破壞范圍為

(6)

式中：kc——巷道周邊擠壓應力集中系數，取4；

r——煤層平均重力密度，取14.1kN/m3；

v——采動影響系數，1.6；

H——埋深，取最大值500m；

σm——頂煤單向抗壓強度，10MPa；

φ——頂煤內摩擦角，取40°；

h——巷道高度，高度為3.4m。

圖1 普氏免壓拱理論示意圖

頂板最大松動范圍為

(7)

式中：fm——頂煤硬度系數，取1.2；

L——巷道寬度，為4.5m。

按照最危險的情況考慮，頂板松動范圍內的煤巖體的重量全部作用在超前支護系統上，則超前支護系統需要承擔的頂板應力為

pd=br

(8)

將已知參數代入以上公式，可以得出，巷道兩幫破壞范圍為4.5m，頂板最大松動范圍為5.2m，超前支護系統承擔的頂板能力為73.32kN，具體結果見表1。

表1 普氏免壓拱理論的計算結果

2.3 運輸巷超前及端頭支護計算

巷道基本支護對基本頂起給定變形作用。在基本頂給定變形狀態下，巷內支護應當控制住頂煤及直接頂并使其與基本頂貼緊。9- 301工作面巷道頂煤厚度較大，動載系數較小。另外，其上覆巖層在來壓時不易引起變形，故9- 301工作面驗算時不考慮頂煤上覆巖層的力學作用。運輸巷采用超前架支護方式，超前支護數量為4組8架。運輸巷端頭采用1組端頭架支護，回風巷端頭采用一架過渡架支護。

根據現場實踐情況，運輸巷超前支護長度為27m，端頭支護長度12.5m。支護計算時，對頂煤的重量進行計算(考慮來壓時的動載系數)，計算公式為

q=K×(M×γ)

(9)

式中：q——支護強度，kPa；

K——動載系數,一般取值1.1～1.8；

M——頂煤厚度，m；

γ——頂煤重力密度，kN/m3。

9- 301工作面巷道頂煤厚度8.6m，重力密度取值14.1kN/m3，動載系數取值1.6，帶入得：q=K×(M×γ)=1.6×(8.6×14.1)=194kPa。

運輸巷端頭架采用型號為ZFT25000/23/45，支架最低高度為2.3m，最高高度為4.5m，支護總長12.5m，初撐力為24MPa。

支護阻力為

P=q×L×B

(10)

式中：P——支護阻力，kN；

q——支護強度，169.8KPa；

L——端頭支護長度，12.5m；

B——巷道毛寬，5.2m。

代入公式得：

P=q×L×B=169.8×12.5×5.2=11 037kN。

2.4 支架對底板比壓

支架對底座比壓為

(11)

式中:Q——底座對底板比壓；

R——支架最大工作阻力，12 000kN；

S——支架底座面積，3.64m2。

帶入公式計算為：Q=12 000 000/3 640 000=3.3MPa。

經計算，支架對底比壓3.3MPa小于煤層底板泥巖承載壓力3.7MPa，故能滿足現場要求。

3 結論

(1)該支架工作阻力為12 000kN，可滿足9- 301綜放工作面開采的要求。

(2)運輸巷端頭范圍內所需整體支護阻力11 037kN小于支架整體支護工作阻力，故該支護設計能滿足選擇運輸巷端頭支護的需要。當端頭架距煤柱幫距離超規定寬度達不到加架條件前，補支單體柱也滿足要求。

(3)架對底比壓3.3MPa小于煤層底板泥巖承載壓力3.7MPa，故能滿足現場要求。