采空區(qū)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(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 長(zhǎng)治 032600)

近距離煤層在我國(guó)各大礦區(qū)廣泛分布，近距離開(kāi)采使得相鄰兩煤層之間巷道掘進(jìn)、工作面回采礦壓顯現(xiàn)更加明顯。尤其對(duì)于采空區(qū)下近距離煤層回采，下煤層工作覆巖結(jié)構(gòu)受到上煤層開(kāi)采破壞，表現(xiàn)出與單一煤層開(kāi)采不同的結(jié)構(gòu)特征。而其覆巖結(jié)構(gòu)直接決定了下煤層工作面礦壓強(qiáng)度，因此研究采空區(qū)下近距離煤層覆巖結(jié)構(gòu)特征及工作面支架載荷來(lái)源，對(duì)于工作面支架工作阻力選擇至關(guān)重要[1-3]. 以山西某煤礦采空區(qū)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(guò)分析工作面覆巖結(jié)構(gòu)，確定支架載荷來(lái)源，提出與之對(duì)應(yīng)的工作阻力計(jì)算公式，以保證近距離煤層的安全開(kāi)采。

1 工作面概況

某煤礦主采8、9號(hào)煤層，其中8號(hào)煤平均厚4.5 m，傾角4°，埋深226 m，目前已經(jīng)全部回采完畢。9號(hào)煤層平均厚2.5 m，平均傾角3°，直接頂為泥巖與炭質(zhì)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(jié)構(gòu)分析

2.1 頂板巖層垮落帶高度

近距離煤層回采過(guò)程中，工作面頂板垮落帶高度可以按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：

H1—垮落帶高度，m；

k—矸石的充填系數(shù)，取1.25；

M—煤層厚度，m，8號(hào)煤層取4.5，9號(hào)煤層取2.5.

將8號(hào)、9號(hào)煤層相關(guān)參數(shù)帶入式(1)，8號(hào)煤開(kāi)采垮落帶高度為18 m，9號(hào)煤工作面開(kāi)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(jié)構(gòu)

在8號(hào)煤層開(kāi)采過(guò)程中，8號(hào)煤上覆頂板巖層已經(jīng)形成了穩(wěn)定的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，但是煤層開(kāi)采過(guò)程中勢(shì)必會(huì)對(duì)其底板造成破壞。根據(jù)煤層開(kāi)采垮落帶計(jì)算結(jié)果可知，9號(hào)煤層回采的垮落帶高度小于兩煤層層間距，9號(hào)煤層開(kāi)采過(guò)程中已經(jīng)發(fā)生損傷破壞的直接頂巖層會(huì)逐漸形成“砌體梁”平衡結(jié)構(gòu)[4-5]. 在這種情況下，9號(hào)煤層覆巖結(jié)構(gòu)自上而下就會(huì)形成“8號(hào)煤基本頂巖層—8號(hào)煤冒落矸石巖層—9號(hào)煤基本頂巖層—9號(hào)煤直接頂巖層”的覆巖結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1.

圖1 9號(hào)煤層覆巖結(jié)構(gòu)及載荷特征示意圖

2.3 支架載荷計(jì)算

由圖1可知，9號(hào)煤層工作面支架靜載荷主要來(lái)源于9號(hào)煤層直接頂載荷、9號(hào)煤層基本頂載荷、8號(hào)煤層采空區(qū)矸石以及8號(hào)煤層基本頂垮落巖塊的載荷。因此支架的靜載荷計(jì)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(zhuǎn)變形會(huì)對(duì)工作面頂板造成一定動(dòng)載荷，因此按1.05～1.15倍計(jì)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(zhǎng)度，m；

φ—基本頂巖塊的內(nèi)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(zhuǎn)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(hào)煤直接頂高度，m.

經(jīng)計(jì)算，9號(hào)煤開(kāi)采時(shí)的支架強(qiáng)度為：

P=0.65～0.72 MPa

通過(guò)對(duì)近距離9號(hào)煤層開(kāi)采覆巖結(jié)構(gòu)及支架載荷來(lái)源進(jìn)行分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合設(shè)備情況，決定9號(hào)煤層工作面支護(hù)強(qiáng)度為0.72 MPa，約為4 200 kN.

3 礦壓觀(guān)測(cè)

3.1 礦壓觀(guān)測(cè)方案

在9號(hào)煤9101首采工作面進(jìn)行礦壓觀(guān)測(cè)，工作面布置ZY4200/20 /40 D型支架162臺(tái)，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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦壓數(shù)據(jù)，該次對(duì)工作面推進(jìn)100 m經(jīng)歷6次周期來(lái)壓的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.2 工作面礦壓分析

支架壓力頻率分布見(jiàn)表1. 由表1可以看出，支架工作阻力基本成正態(tài)分布，工作面頂板壓力主要集中在2 700～3 700 kN，占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(shù)量極少。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)，9101工作面在實(shí)測(cè)期間循環(huán)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?？臻g。因此進(jìn)一步證明9號(hào)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(yùn)順槽和回風(fēng)順槽在工作面推進(jìn)過(guò)程中巷道圍巖變形量見(jiàn)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(nèi)變形量較大，大于30 m位置圍巖變形量基本穩(wěn)定。其中主運(yùn)順槽頂板下沉量最大為98 mm，兩幫移近量最大為57 mm；回風(fēng)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(mǎn)足工作面安全生產(chǎn)需求。

圖2 主運(yùn)順槽圍巖變形曲線(xiàn)圖

圖3 回風(fēng)順槽圍巖變形曲線(xiàn)圖

從礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)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(lái)壓的礦壓強(qiáng)度，并且留有一定的富?？臻g；巷道礦壓顯現(xiàn)不明顯，圍巖穩(wěn)定性好。

表1 支架工作阻力頻率分布統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 論

以山西某煤礦采空區(qū)下近距離煤層下層位工作面支架工作阻力為背景，通過(guò)理論分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得出以下結(jié)論：

1) 9號(hào)煤層覆巖結(jié)構(gòu)自上而下會(huì)形成“8號(hào)煤基本頂巖層—8號(hào)煤冒落矸石巖層—9號(hào)煤基本頂巖層—9號(hào)煤直接頂巖層”的覆巖結(jié)構(gòu)。

2) 根據(jù)覆巖結(jié)構(gòu)，分析得到了支架載荷來(lái)源，通過(guò)公式計(jì)算確定了9號(hào)煤層工作面支護(hù)強(qiáng)度為0.72 MPa，約4 200 kN.

3) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)分析，9101工作面在實(shí)測(cè)期間循環(huán)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?？臻g,兩順槽圍巖穩(wěn)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(xué)合理的。