近距离煤层综采工作面支架支护强度的确定

李向波

(山西阳城阳泰集团晶鑫煤业 新井分公司，山西 晋城 048000)

在近距离煤层开采过程中，由于上部煤层已经开采，上覆岩层已经受到破坏，在下部煤层开采过程中，覆岩结构及移动规律都表现出了与单一煤层不同的特征。而目前综采工作面支架工作阻力确定的方法更多的是以单一煤层开采来进行的，对于近距离煤层综采工作面支架工作阻力的确定方法还没有深入开展[1-2]。因此本文以程家沟煤矿近距离煤层综采工作面支架工作阻力选择为背景，对近距离下煤层回采过程中覆岩结构特征及支架载荷来源进行了分析，提出了支架工作阻力计算方法，为近距离煤层安全回采提供科学依据。

1 工作面概况

程家沟煤矿位于山西省晋中市，矿井主采9号、10号煤。9号煤层位于太原组下部，平均厚度为2.4 m，倾角1～5°，直接顶为泥岩，平均厚度4.2 m，基本顶为粉砂岩，平均厚度10.8 m，煤层划分为4个盘区，目前9号煤层1～3盘区已经回采完毕。10号煤层平均厚度4.2 m，直接顶为泥岩和砂质泥岩，平均厚度3.7 m，直接底为泥岩，平均厚度2.2 m。两煤层之间层间距离平均3.7 m，属于近距离煤层。10101综采工作面为10号煤层1盘区首采工作面，工作面长度205 m，设计采高4.2 m，推进长度1 023 m。其上部为9101综采工作面采空区。

2 工作面覆岩结构分析

垮落带高度可以根据经验公式(1)求得[3]：

(1)

式中：H1为垮落带高度，m；k矸石的充填系数，取1.25；M为煤层厚度，m。

将9101、10101工作面相关参数代入式(1)中，得到9101、10101工作面垮落带高度分别为9.6 m、16.8 m，超过了两煤层之间的岩层。

由计算可知，下煤层工作面回采垮落带高度大于上部煤层开采所形成的垮落带，形成了如图1所示的结构[4]。下煤层开采过程中，其上部直接顶岩层不能完全充填采空区，需要更大厚度的岩层矸石冒落后对采空区进行充填来保证采场平衡。两煤层之间的层间岩层随回采继续而不断冒落，原来上煤层开采后的采空区矸石也随之冒落，使得原来已经稳定的上煤层裂隙带岩层再次受到采动影响发生二次破坏，裂隙带向上延伸，直至冒落矸石充满采空区形成了新的采场平衡为止。

图1 下煤层开采后覆岩结构示意

由图1可知，支架载荷主要来源于三部分，即：煤层直接顶的重量、垮落带冒落矸石的重量和新增裂隙带岩层重量。因此：

P1=Q1+Q+QZ=(H1+k'H3+HZ)γ

(2)

由图1可得：

M+H1+k'H3+HZ=kH1+k"H3+kHZ+S

(3)

新增的垮落带厚度HZ为：

(4)

由于工作面来压时，顶板存在一定的运动，因此计算支架工作面阻力应该考虑一定的动载系数，取1.15～1.35[5]。因此支架支护强度为：

P=(1.15～1.35)P1

(5)

式中：QZ为新增垮落带岩层重量；HZ为新增垮落带高度；k' 为矸石的残余碎胀系数，取1.05；k"为二次垮落矸石碎胀系数，取1.03；S为基本顶触矸弯曲下沉量，取0.35 m。

将程家沟煤矿10101工作面相关参数代入公式(5)中，得到工作面支护强度为：

P=(1.15～1.35)(Q1+Q+QZ)

=(1.15～1.35)(H1+k'H3+HZ)γ

=(1.15～1.35)×(3.7+1.05×9.6+12.5)×25

=0.76～0.88 MPa

因此为了保证程家沟矿安全生产，10101工作面液压支架支护强度选0.9 MPa。

3 数值模拟试验

为了进一步验证支架支护强度的合理性，采用FLAC数值模拟试验对0.3～1.1 MPa不同支护强度情况下支架的支护效果进行了分析，分析结果如图2所示。

图2 控顶区内顶板下沉量与支架支护强度的关系曲线

图2为工作面推进不同距离时，控顶区内顶板下沉量与支架支护强度之间的关系。从图中可以明显看出，随工作面回采到不同位置时，随着支架支护强度的增加，控顶区内顶板下沉量均呈现出同一种变化特征，即随支护强度增加顶板下沉量逐渐减小，减小到一定程度后，趋于稳定。支护强度在0.3～0.9 MPa之间时，增加支护强度，顶板变化较明显，当支护强度大于0.9 MPa时，继续增加支护强度，顶板下沉量变化不大，因此可以看出0.9 MPa为近距离煤层10101工作面最优的支护强度，与计算结果相符合。

4 现场实测

根据计算选择支架支护强度为0.9 MPa，结合现场实际参数确定支架工作阻力为：

F=PBL=0.9×5.69×1.75×103=8 962 kN

式中：F为支架工作阻力，kN；B为支架最大控顶距,取5.69 m；L为支架中心距,取1.75 m。

因此10101工作面配备了郑州煤机厂的ZY9000/38/50D型支架。通过对工作面推进300 m的支架工作阻力进行监测，得到工作面来压期间循环末阻力为7 857 kN，为支架额定工作阻力的87.3%，来压期间支架工作阻力富余量充足，完全能够承受来压期间顶板变形载荷，因此选择郑州煤机厂的ZY9000/38/50D型支架，能够满足近距离煤层10101工作面安全回采的要求。

5 结 语

1) 通过理论分析，得出了近距离煤层下煤层工作面回采支架载荷主要来源于三部分，即：煤层直接顶的重量、垮落带冒落矸石的重量和新增裂隙带岩层重量。

2) 根据理论分析，建立了支架支护强度计算公式，确定了支护强度，通过数值模拟试验，与理论计算结果相符合。

3) 通过现场矿压实测，验证了所选择的ZY9000/38/50D型支架科学、合理。