莒山礦充填工作面支架選型研究

韓康康

（山西蘭花集團莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048027）

引言

隨著煤炭資源的逐年減少，煤礦的可持續發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，現有的開采條件已經無法滿足礦井核定生產能力要求。為提高礦井的生產能力，實現煤炭資源順利接續開采和礦井可持續發展，對3號煤層下部的9號煤層進行充填開采。根據實際情況可選用帶前移機構的支架予以支護，在架后膏體凝固時間內盡量不影響前方采煤，以提高采煤效率。通過對開采空間進行高密度全部充填，避免了采空區頂底板垮塌，漿料跟矸石在地面混合攪拌后經工業充填泵經斜井或鉆孔下井，通過管道輸送至井下工作面上方充填至采空區，實現了對地表及建構筑物等進行保護的目標。本文根據9號煤層的地質條件和開采條件，對工作面充填支架進行了研究。

1 支架支護高度分析

根據礦井地質報告描述，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號煤層結構簡單，含0～2層矸石。該煤層可采區范圍約占井田面積的2/3以上，其可采性指數Km=0.91，井田內西北部小部分不可采，為穩定的大部可采煤層。

根據地質資料顯示，位于井田西北邊界的極小部分區域煤層厚度低于0.5 m，井田中部絕大多數區域煤層厚度在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域范圍。

綜合分析地質報告、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Mmax＝1.55 m；工作面最小采高Mmin＝1.25 m；工作面平均采高M＝1.40 m。

為實現安全、有效的支護，充填工作面支架的支護范圍應該與工作面采高相適應，其中最大支護高度應高于工作面最大采高高度200 mm以上；支架最小支護高度應低于工作面采高200 mm以上。根據實際情況，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構，再結合煤層賦存特點進行綜合考慮，確定支架最大支護高度為2.1 m，最小支護高度為0.9 m。

2 支護強度分析

根據《礦井地質報告》描述：9號煤層結構簡單，含0～2層矸石。該煤層可采區范圍約占井田面積的2/3以上，其可采性指數Km=0.91，井田內西北部小部分不可采，為穩定的大部可采煤層。

充填工作面支架的支護強度計算方式如下式所示[3]：

式中：P為支護強度，MPa；K2為應力集中系數，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，考慮到9號煤層上覆3號煤層已經回采，且趨于穩定，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，由于9號煤層上覆3號煤層已經采出，下位9號煤層會受到重復采動的影響，這里安全系數取K1=1.2。

將各參數代入式中得出P=443 kPa。通過計算可知，充填工作面支架的支護強度不低于443 kPa。

3 支架選型

綜合上述計算結果，9號煤層充填工作面液壓支架的支護強度應該不小于443 kPa，考慮到支架結構件、安全閥性能、支護方式以及開采工藝等因素，同時考慮9號煤層上方的3號煤層采空區集中應力的影響，綜合分析確定支架的型號及主要參數如下頁表1所示。

表1 工作面支架型號及主要參數

4 結語

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采回收工作中，在3號煤層采空區內所遺留的煤柱承載著較大的集中應力，下覆9號煤層工作面在進出3號煤層遺留煤柱時，工作面支架所受應力會大幅增大。為保證安全生產，在開采過程遇到上述情況時應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，同時要加強工作面管理，出現頂板破碎等情況時要及時支護，避免出現大范圍煤壁片幫和頂板冒落。