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。
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。
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。
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
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.
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。
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。
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
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。