采空區下近距離煤層下層位工作面支架工作阻力確定

馬漢文

(潞安職業技術學院， 山西 長治 032600)

近距離煤層在我國各大礦區廣泛分布，近距離開采使得相鄰兩煤層之間巷道掘進、工作面回采礦壓顯現更加明顯。尤其對于采空區下近距離煤層回采，下煤層工作覆巖結構受到上煤層開采破壞，表現出與單一煤層開采不同的結構特征。而其覆巖結構直接決定了下煤層工作面礦壓強度，因此研究采空區下近距離煤層覆巖結構特征及工作面支架載荷來源，對于工作面支架工作阻力選擇至關重要[1-3]. 以山西某煤礦采空區下近距離煤層下層位工作面支架工作阻力的確定為背景，通過分析工作面覆巖結構，確定支架載荷來源，提出與之對應的工作阻力計算公式，以保證近距離煤層的安全開采。

1 工作面概況

某煤礦主采8、9號煤層，其中8號煤平均厚4.5 m，傾角4°，埋深226 m，目前已經全部回采完畢。9號煤層平均厚2.5 m，平均傾角3°，直接頂為泥巖與炭質泥巖互層，平均厚度2.85 m，基本頂為中粒砂巖、粉砂巖，平均厚度8.32 m，直接底為泥巖，平均厚度1.15 m. 兩煤層層間距平均厚12 m，屬于典型的近距離煤層。

2 頂板結構分析

2.1 頂板巖層垮落帶高度

近距離煤層回采過程中，工作面頂板垮落帶高度可以按照以下公式進行計算：

(1)

式中：

H1—垮落帶高度，m；

k—矸石的充填系數，取1.25；

M—煤層厚度，m，8號煤層取4.5，9號煤層取2.5.

將8號、9號煤層相關參數帶入式(1)，8號煤開采垮落帶高度為18 m，9號煤工作面開采垮落帶高度為10 m，小于兩煤層的層間距。

2.2 工作面覆巖結構

在8號煤層開采過程中，8號煤上覆頂板巖層已經形成了穩定的“砌體梁”結構，但是煤層開采過程中勢必會對其底板造成破壞。根據煤層開采垮落帶計算結果可知，9號煤層回采的垮落帶高度小于兩煤層層間距，9號煤層開采過程中已經發生損傷破壞的直接頂巖層會逐漸形成“砌體梁”平衡結構[4-5]. 在這種情況下，9號煤層覆巖結構自上而下就會形成“8號煤基本頂巖層—8號煤冒落矸石巖層—9號煤基本頂巖層—9號煤直接頂巖層”的覆巖結構，見圖1.

圖1 9號煤層覆巖結構及載荷特征示意圖

2.3 支架載荷計算

由圖1可知，9號煤層工作面支架靜載荷主要來源于9號煤層直接頂載荷、9號煤層基本頂載荷、8號煤層采空區矸石以及8號煤層基本頂垮落巖塊的載荷。因此支架的靜載荷計算公式為[6]：

(2)

Q1=γH1

(3)

Q2=γk′H3

(4)

S=M-k′H3(K-1)

(5)

考慮到基本頂回轉變形會對工作面頂板造成一定動載荷，因此按1.05～1.15倍計算，即

P=(1.05～1.15)P1

(6)

式中：

Q2—基本頂破斷巖塊自身的重量，kg；

L—壓在支架上的巖塊的長度，m；

φ—基本頂巖塊的內摩擦角，(°)；

θ—基本頂破斷角，(°)；

H2—基本頂垮落高度，m；

S—基本頂回轉最大下沉值，m；

k′H3—上煤層垮落的矸石高度，m；

M—煤層厚度，m；

H1—9號煤直接頂高度，m.

經計算，9號煤開采時的支架強度為：

P=0.65～0.72 MPa

通過對近距離9號煤層開采覆巖結構及支架載荷來源進行分析，根據計算結果結合設備情況，決定9號煤層工作面支護強度為0.72 MPa，約為4 200 kN.

3 礦壓觀測

3.1 礦壓觀測方案

在9號煤9101首采工作面進行礦壓觀測，工作面布置ZY4200/20 /40 D型支架162臺，支架中心距為1.5 m，額定工作阻力為4 200 kN. 工作面每隔10架安裝一組壓力傳感器用以實時監測礦壓數據，該次對工作面推進100 m經歷6次周期來壓的數據進行分析。

3.2 工作面礦壓分析

支架壓力頻率分布見表1. 由表1可以看出，支架工作阻力基本成正態分布，工作面頂板壓力主要集中在2 700～3 700 kN，占統計數據的66.99%，低于2 700 kN的占比10.94%，位于3 700～4 200 kN的占比17.28%，大于4 200 kN的占比4.8%數量極少。根據現場礦壓監測，9101工作面在實測期間循環末載荷平均值3 683 kN/架與支架工作阻力4 200 kN/架的比值為87.7%，擁有足夠的富裕空間。因此進一步證明9號煤層工作面支架工作阻力為4 200 kN是合理的。

3.3 巷道礦壓分析

9101工作面主運順槽和回風順槽在工作面推進過程中巷道圍巖變形量見圖2，圖3. 由圖2,3可知，兩順槽變形量特征基本一致。在工作面煤壁超前30 m范圍內變形量較大，大于30 m位置圍巖變形量基本穩定。其中主運順槽頂板下沉量最大為98 mm，兩幫移近量最大為57 mm；回風順槽頂板下沉量最大為59 mm，兩幫移近量最大為55 mm；巷道變形量整體較小，完全可以滿足工作面安全生產需求。

圖2 主運順槽圍巖變形曲線圖

圖3 回風順槽圍巖變形曲線圖

從礦壓監測結果可知，選用工作面阻力為4 200 kN的液壓支架能夠完全承受工作面周期來壓的礦壓強度，并且留有一定的富裕空間；巷道礦壓顯現不明顯，圍巖穩定性好。

表1 支架工作阻力頻率分布統計表

4 結 論

以山西某煤礦采空區下近距離煤層下層位工作面支架工作阻力為背景，通過理論分析及現場實測，得出以下結論：

1) 9號煤層覆巖結構自上而下會形成“8號煤基本頂巖層—8號煤冒落矸石巖層—9號煤基本頂巖層—9號煤直接頂巖層”的覆巖結構。

2) 根據覆巖結構，分析得到了支架載荷來源，通過公式計算確定了9號煤層工作面支護強度為0.72 MPa，約4 200 kN.

3) 通過現場礦壓監測分析，9101工作面在實測期間循環末載荷平均值3 683 kN/架與支架工作阻力4 200 kN/架的比值為87.7%，擁有足夠的富裕空間,兩順槽圍巖穩定。證明近距離下煤層回采選用工作阻力為4 200 kN的支架是科學合理的。