大采高综采放顶煤工作面支护阻力研究

刘志军

(霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿， 山西 临县 033200)

1 前言

某矿所采煤层为9#煤层，9#煤层赋存于太原组中下部，上距5#煤层40.90～56.15m，平均距离50.63m，煤层赋存稳定，结构复杂，含一至二层夹矸，平均煤厚为11.8m，煤层倾角12°～36°，平均24°，为缓倾斜煤层。

9#煤层基本顶为砂质泥岩，厚度6～12m；直接顶为泥质灰岩，厚度5～7m；直接底为泥岩，厚度1～2m；基本底为细粒砂岩，厚度1～3m。9- 301工作面采用大采高综放工艺，最大采深500m，采厚11.8m，采煤机割煤高度3.2m，割煤步距0.8m，放煤厚度8.6m，一采一放，采用单轮顺序放煤方式，采放比1∶2.69。

2 支护阻力计算

2.1 工作面支护阻力计算

1)估算法确定支架工作阻力

工作面支架工作阻力支撑直接顶和顶煤的重量，并平衡基本顶失稳时对支架的动载，支护强度为

q=Kd·(q直+q顶煤)

(1)

式中，q为工作面支架所需支护强度；Kd为基本顶失稳时的动载系数，根据综放工作面矿压观测结果，一般Kd=2.5～2.8；q直为直接顶自重应力，q直=γ直·h，γ直为直接顶重力密度，取25kN/m3，根据煤层结构，取h=11.8m；q顶煤为支架上方顶煤自重应力，q顶煤=γ煤·Md，γ煤为顶煤重力密度，取14.5kN/m3。

由于所开采煤层顶板强度较低，容易垮落，取Kd=2.8。

则：q=2.8×(11.8×25+8.6×14.5)=1 170kN/m2。

支护强度确定后，根据配套尺寸、支架的顶梁长度、空顶距算出支架工作阻力为[1]

P=q·(LK+LD)·B

(2)

式中：P——支架工作阻力，kN；

q——支架的支护强度，1 170kN/m2;

LK——空顶距，0.4m;

LD——顶梁长度，5.325m;

B——支架宽度，1.75m。

计算得出，支架工作阻力为11 722kN。

2) 固支板梁力学模型计算

按照固支板梁力学模型等较为不利的受力条件计算，较为稳定基本顶初次来压步距有关计算公式为

(3)

式中:L0——基本顶初次来压步距；

H——基本顶分层厚度 ，按12m考虑；

R′t——基本顶岩体抗拉强度为1.8～2.4MPa(据现场调研了解，9#煤层工作面基本顶节理、裂隙较发育，抗拉强度较低，整体性不强，有利于顶板的及时冒落，选取基本顶岩体抗拉强度1.8～2.4MPa)；

q——岩梁及上的均布载荷，取300t/m2。

带入数值得9#煤层顶板初次来压步距L0约为41.5～48m(目前矿压观测分析9#煤层顶板初次来压步距约40m左右)。

Ⅳ级基本顶延米支护阻力下限为

RH=(241×lnLf+52.6hm-15.5N-455)BcCk

(4)

式中：Lf——基本顶的初次来压步距，41.5～48m；

Ck——备用系数，1.45；

Bc——支架的控顶距，5.8m；

hm——工作面最大采高，3.3m；

N——直接顶厚度与采高之比，0.57。

代入数据得RH≈5 193～5 477kN/m。

支架工作阻力为

P=RH×Sc/Ks

(5)

式中：Sc——支架的中心距，1.75m；

KS——支撑效率，0.9。

代入公式得：支架工作阻力P≈10 100～10 650kN/架，对应的平均支护强度0.995～1.07MPa。

综上所述，该支架工作阻力P为12 000kN，可满足9- 301综放工作面开采的要求。

2.2 回风巷超前破坏范围

由于顶煤较厚，其冒落形状为拱形，根据地质条件和开采条件，按照普氏免压拱理论进行分析，如图1所示 。按照普氏免压拱理论[2]，巷道两帮的破坏范围为

(6)

式中：kc——巷道周边挤压应力集中系数，取4；

r——煤层平均重力密度，取14.1kN/m3；

v——采动影响系数，1.6；

H——埋深，取最大值500m；

σm——顶煤单向抗压强度，10MPa；

φ——顶煤内摩擦角，取40°；

h——巷道高度，高度为3.4m。

图1 普氏免压拱理论示意图

顶板最大松动范围为

(7)

式中：fm——顶煤硬度系数，取1.2；

L——巷道宽度，为4.5m。

按照最危险的情况考虑，顶板松动范围内的煤岩体的重量全部作用在超前支护系统上，则超前支护系统需要承担的顶板应力为

pd=br

(8)

将已知参数代入以上公式，可以得出，巷道两帮破坏范围为4.5m，顶板最大松动范围为5.2m，超前支护系统承担的顶板能力为73.32kN，具体结果见表1。

表1 普氏免压拱理论的计算结果

2.3 运输巷超前及端头支护计算

巷道基本支护对基本顶起给定变形作用。在基本顶给定变形状态下，巷内支护应当控制住顶煤及直接顶并使其与基本顶贴紧。9- 301工作面巷道顶煤厚度较大，动载系数较小。另外，其上覆岩层在来压时不易引起变形，故9- 301工作面验算时不考虑顶煤上覆岩层的力学作用。运输巷采用超前架支护方式，超前支护数量为4组8架。运输巷端头采用1组端头架支护，回风巷端头采用一架过渡架支护。

根据现场实践情况，运输巷超前支护长度为27m，端头支护长度12.5m。支护计算时，对顶煤的重量进行计算(考虑来压时的动载系数)，计算公式为

q=K×(M×γ)

(9)

式中：q——支护强度，kPa；

K——动载系数,一般取值1.1～1.8；

M——顶煤厚度，m；

γ——顶煤重力密度，kN/m3。

9- 301工作面巷道顶煤厚度8.6m，重力密度取值14.1kN/m3，动载系数取值1.6，带入得：q=K×(M×γ)=1.6×(8.6×14.1)=194kPa。

运输巷端头架采用型号为ZFT25000/23/45，支架最低高度为2.3m，最高高度为4.5m，支护总长12.5m，初撑力为24MPa。

支护阻力为

P=q×L×B

(10)

式中：P——支护阻力，kN；

q——支护强度，169.8KPa；

L——端头支护长度，12.5m；

B——巷道毛宽，5.2m。

代入公式得：

P=q×L×B=169.8×12.5×5.2=11 037kN。

2.4 支架对底板比压

支架对底座比压为

(11)

式中:Q——底座对底板比压；

R——支架最大工作阻力，12 000kN；

S——支架底座面积，3.64m2。

带入公式计算为：Q=12 000 000/3 640 000=3.3MPa。

经计算，支架对底比压3.3MPa小于煤层底板泥岩承载压力3.7MPa，故能满足现场要求。

3 结论

(1)该支架工作阻力为12 000kN，可满足9- 301综放工作面开采的要求。

(2)运输巷端头范围内所需整体支护阻力11 037kN小于支架整体支护工作阻力，故该支护设计能满足选择运输巷端头支护的需要。当端头架距煤柱帮距离超规定宽度达不到加架条件前，补支单体柱也满足要求。

(3)架对底比压3.3MPa小于煤层底板泥岩承载压力3.7MPa，故能满足现场要求。