莒山礦充填工作面支架選型研究

韓康康

（山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048027）

引言

隨著煤炭資源的逐年減少，煤礦的可持續(xù)發(fā)展成為了今后面臨的重要問題[1-2]，莒山礦目前所采的3號煤層已面臨枯竭，現(xiàn)有的開采條件已經(jīng)無法滿足礦井核定生產(chǎn)能力要求。為提高礦井的生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)煤炭資源順利接續(xù)開采和礦井可持續(xù)發(fā)展，對3號煤層下部的9號煤層進(jìn)行充填開采。根據(jù)實(shí)際情況可選用帶前移機(jī)構(gòu)的支架予以支護(hù)，在架后膏體凝固時間內(nèi)盡量不影響前方采煤，以提高采煤效率。通過對開采空間進(jìn)行高密度全部充填，避免了采空區(qū)頂?shù)装蹇逅?，漿料跟矸石在地面混合攪拌后經(jīng)工業(yè)充填泵經(jīng)斜井或鉆孔下井，通過管道輸送至井下工作面上方充填至采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)了對地表及建構(gòu)筑物等進(jìn)行保護(hù)的目標(biāo)。本文根據(jù)9號煤層的地質(zhì)條件和開采條件，對工作面充填支架進(jìn)行了研究。

1 支架支護(hù)高度分析

根據(jù)礦井地質(zhì)報告描述，9號煤層位于太原組三段下部，厚0.37（莒8）～1.55 m（莒補(bǔ)2），平均厚度為1.24 m，井田西南部煤層厚度最大，西北部煤層厚度最小。9號煤層結(jié)構(gòu)簡單，含0～2層矸石。該煤層可采區(qū)范圍約占井田面積的2/3以上，其可采性指數(shù)Km=0.91，井田內(nèi)西北部小部分不可采，為穩(wěn)定的大部可采煤層。

根據(jù)地質(zhì)資料顯示，位于井田西北邊界的極小部分區(qū)域煤層厚度低于0.5 m，井田中部絕大多數(shù)區(qū)域煤層厚度在1.00~1.55 m之間，平均厚度為1.24 m。由于厚度低于0.5 m的區(qū)域較小且位于井田邊界，因此本次在確定煤層采高范圍時不考慮該區(qū)域范圍。

綜合分析地質(zhì)報告、鉆孔資料及煤層等厚線圖，確定9號煤層采高為：工作面最大采高M(jìn)max＝1.55 m；工作面最小采高M(jìn)min＝1.25 m；工作面平均采高M(jìn)＝1.40 m。

為實(shí)現(xiàn)安全、有效的支護(hù)，充填工作面支架的支護(hù)范圍應(yīng)該與工作面采高相適應(yīng)，其中最大支護(hù)高度應(yīng)高于工作面最大采高高度200 mm以上；支架最小支護(hù)高度應(yīng)低于工作面采高200 mm以上。根據(jù)實(shí)際情況，工作面最大采高為1.55 m，最小采高為1.25 m，支架立柱采用單伸縮結(jié)構(gòu)，再結(jié)合煤層賦存特點(diǎn)進(jìn)行綜合考慮，確定支架最大支護(hù)高度為2.1 m，最小支護(hù)高度為0.9 m。

2 支護(hù)強(qiáng)度分析

根據(jù)《礦井地質(zhì)報告》描述：9號煤層結(jié)構(gòu)簡單，含0～2層矸石。該煤層可采區(qū)范圍約占井田面積的2/3以上，其可采性指數(shù)Km=0.91，井田內(nèi)西北部小部分不可采，為穩(wěn)定的大部可采煤層。

充填工作面支架的支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算方式如下式所示[3]：

式中：P為支護(hù)強(qiáng)度，MPa；K2為應(yīng)力集中系數(shù)，取2；γ為頂板巖層的容重，取25 kN/m3；k為頂板巖層垮落后的碎脹系數(shù)，考慮到9號煤層上覆3號煤層已經(jīng)回采，且趨于穩(wěn)定，k取1.21；M為支架支撐高度，取工作面采高的最大值，為1.55 m；K1為安全系數(shù)，由于9號煤層上覆3號煤層已經(jīng)采出，下位9號煤層會受到重復(fù)采動的影響，這里安全系數(shù)取K1=1.2。

將各參數(shù)代入式中得出P=443 kPa。通過計(jì)算可知，充填工作面支架的支護(hù)強(qiáng)度不低于443 kPa。

3 支架選型

綜合上述計(jì)算結(jié)果，9號煤層充填工作面液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)該不小于443 kPa，考慮到支架結(jié)構(gòu)件、安全閥性能、支護(hù)方式以及開采工藝等因素，同時考慮9號煤層上方的3號煤層采空區(qū)集中應(yīng)力的影響，綜合分析確定支架的型號及主要參數(shù)如下頁表1所示。

表1 工作面支架型號及主要參數(shù)

4 結(jié)語

9號煤層位于3號煤層下方，平均距離為54.62 m，目前3號煤層基本開采完畢，已進(jìn)入大巷煤柱的回收及原上分層刀柱式炮采采煤方法下棄置煤體的復(fù)采回收工作中，在3號煤層采空區(qū)內(nèi)所遺留的煤柱承載著較大的集中應(yīng)力，下覆9號煤層工作面在進(jìn)出3號煤層遺留煤柱時，工作面支架所受應(yīng)力會大幅增大。為保證安全生產(chǎn)，在開采過程遇到上述情況時應(yīng)確保支架具有足夠的初撐力（支架初撐力不低于額定初撐力的90%）和工作阻力，同時要加強(qiáng)工作面管理，出現(xiàn)頂板破碎等情況時要及時支護(hù)，避免出現(xiàn)大范圍煤壁片幫和頂板冒落。