某礦7340工作面支架工作阻力校驗研究

郭義成

1 工作面概況

某礦7340工作面為跨采區面，位于礦井一水平，屬中一及中二采區上提工作面。該面上限以風巷（標高-310.9～-340.0）為界；下限以機巷（標高-370.0～-393.8）為界；南至切眼；北至設計收作線。工作面走向長1 110 m；傾斜寬平均195 m；斜面積約209 276 m2。上覆51、52煤屬露頭防水煤柱，72煤大部已回采，73煤局部回采，下伏82主可采煤層，大部分已回采。

采區巷道布置采用煤層群分組巷道聯合布置方式。機巷主要用于工作面的進風和運煤，采用梯形工字鋼棚支護，巷道設計凈寬3.2 m，凈高2.5 m，采用塘材笆片過頂，對子棚支護，棚距700 mm；風巷主要用于工作面的回風、進料,斷面尺寸和支護方式與機巷相同，都是沿煤層頂板布置。

2 7340工作面不同回采條件的劃分

7340工作面覆巖存在不同的開采條件，包括：下覆82煤層已采條件下上覆72煤層綜放遺留浮煤的開采、下覆82煤層已采條件下上覆72煤層遺留煤柱下開采、下覆82煤層已采條件下72、73煤層采空區復采。

2.1 下覆82煤層已采條件下上覆72煤層綜放遺留浮煤區的開采

在7340工作面切眼至Fx7斷層之間的大部分區域，工作面下覆8212和8214工作面已采，上覆7212和7214為綜放開采區域。工作面開采僅能夠回采72煤分層開采后所遺留的部分煤炭資源。圖1中陰影部分為72煤綜放開采區域。

圖1 上覆72煤層綜放遺留浮煤區平面

2.2 下覆82煤層已采條件下上覆72煤層遺留煤柱下的開采

根據72煤層工作面的實際布置情況，7340工作面在開采過程中，面臨上覆72煤層遺留煤柱下的開采問題，圖2陰影區域為72煤遺留煤柱區域。根據已有的研究成果，工作面在上覆煤柱下開采時與上覆采空區下開采時礦壓顯現有明顯差異，尤其是在工作面進煤柱和出煤柱影響區域內，可能會出現劇烈的礦壓顯現。

圖2 72煤層遺留煤柱區域平面

2.3 下覆82煤層已采條件下72、73煤層采空區復采

在工作面開采的最后階段，面臨下覆82煤層、72、73煤層均以回采后的采空區復采問題。工作面中下部區域煤壁主要為遺留采空區的矸石，僅存部分浮煤。工作面的此類賦存條件，類似于在綜放浮煤區域的開采問題，它屬于對已有采空區的重復開采問題。因此，基于以前已有的分析，該區域開采不存在壓架危險，但是需要加強防范頂板漏冒。

3 7340工作面合理支架工作阻力校核

按照以上對工作面下覆區域的采掘情況和地質條件進行區域劃分，對本工作面在開采過程中支架選型對有重要的指導作用。并根據不同覆巖條件下工作面開采過程中來壓監測與頂板規律分析，通過實測統計和理論分析的方法，對7340工作面開采過程中所采用的ZY8800/14/32型液壓支架的合理阻力進行了分析。

3.1 經驗估算法

由于礦山地質及生產條件復雜，根據現場經驗得出了一些計算支架工作阻力的方法。這些經驗方法在一定程度上推動了支架工作阻力的發展，其中最具有代表性的是采高容重法[1-3]。

采高容重法是目前應用最廣泛也最實用的方法，多數采煤國家都對采高容重法有過研究，并得出了適合自己的經驗公式（表1）。

表1 部分國家采用的采高容重法

式中：P—支架支護強度，MPa；m—采高，m；γ—巖塊體積力，kN/m3。

采高容重法作為一種簡單易行且準確度較高的經驗方法，已經得到現場的承認。在中國，常用的4～8倍采高容重法適用于采高較小的條件。4～8倍采高容重法是基于懸頂距等于控頂距這個假設的。

以7340工作面為例，計算支架工作阻力。支護強度：P=K1×m×γ=（4～8）×2.5×24=0.24～0.48 MPa

式中K1為如表1中的中國區域范圍內的取值，7340工作面的煤層平均厚度為2.5 m，巖塊的體積力根據巖層特性取值。

按照目前支架的最大控頂距（5.5 m）和最大支架寬度（1.82 m）計算，所需的支架阻力為：

實測過程中發現在來壓時支架阻力均超過5 000 kN，甚至出現有超過9 000 kN的現象，因此按照4～8倍采高容重法計算的支架阻力相對偏小，其計算方法不能適用于該條件下采煤時支架工作阻力的估算。

3.2 實測統計方法校核支架阻力

通過支架循環末阻力值估算支架工作阻力：

σ—實測的支架循環末阻力均方差，kN。

按兩種方式進行統計估算：

（1）按來壓期間支架最大循環末阻力進行統計，即式（1）中為來壓期間支架最大循環末阻力的平均值，此時，取1倍的均方差，即支架工作阻力的估算方法：

根據以上方法，對7340工作面不同覆巖條件下的支架循環末阻力進行統計。

3.3 綜放浮煤開采區域支架阻力校核

在綜放浮煤開采區域，實測支架阻力統計結果表明，該區域支架阻力整體偏小，在工作面接近機巷453號鉆孔前后50 m范圍內，來壓時支架阻力明顯上升，最大來壓阻力達到9 178 kN，為額定阻力的104.30%，在后續開采區域內支架阻力最大達9 774 kN，為額定阻力的111%。按照實測方法統計后測得出，適應該區域開采的支架阻力應為9 200 kN。

在頂板距煤層較近的范圍內（10倍采高以內）存有厚硬頂板時，即便在該類巖層已經受到了一次采動的破壞，但是其破斷長度大，加之可能處于非咬合穩定狀態，在重復采動時，仍會造成頂板的二次擾動和破壞，并且將上覆的巖層載荷以靜載的方式向下傳遞，所以工作面在此類頂板條件下回采時，支架阻力一般偏大。針對7340工作面，雖然其支架阻力已經達到了8 800 kN，仍稍有不足。如果是在動載的情況下，仍然會存在壓架危險。

3.3.1 上煤層遺留煤柱區域

由于煤層厚度較大，實際采高隨之增大，導致支架阻力不足。對該區域來壓相對明顯的時刻進行統計，發現在工作面過上層煤遺留的“7”型煤柱區域時，傾向煤柱區域比走向煤柱區域對工作面的影響大，在走向煤柱區域，支架阻力校核結果為7 066 kN，而在傾向煤柱區域，所需支架阻力為7 993 kN。工作面目前采用的8 800 kN支架能夠適應遺留煤柱區域的開采。但是，工作面在開采區域內由于煤層采高提高，部分時段支架因高度偏大支護阻力稍有不足，對支架阻力的校核有一定影響。

3.3.2 73煤層已采的復采區域

在該區域內，7340工作面屬于頂板完全復采階段，工作面1-70#均為煤壁均為采空區矸石，僅上部71-110#支架范圍對應73煤尚未開采。對該區域來壓相對明顯的時刻進行統計并分析結果。

可以得出，工作面在73煤已采條件下進行復采，支架阻力一般較小，按照整個來壓區間進行統計后得出，在該條件下回采時，所需支架工作阻力為7 954 kN，工作采用的8 800 kN支架能夠滿足回采要求。

4 總結

（1）7340工作面所采用的ZY8800/14/32型液壓支架基本能夠適應不同覆巖條件下的工作面安全開采需求。但在頂板存在堅硬厚層砂巖情況下，仍稍有不足。

（2）在7340工作面回采過程中，存在支架阻力超過額定阻力的情況，主要出現在工作面上部范圍上煤層頂板存在厚硬砂巖老頂的區域。說明即使在上煤層已經回采后頂板發生破壞的情況下，如果上煤層開采過程中發生過頂板出水或異常劇烈的礦壓顯現問題，下煤層開采時依然受失穩或破壞頂板結構的影響。