采空区下近距离煤层下层位工作面支架工作阻力确定

马汉文

(潞安职业技术学院， 山西 长治 032600)

近距离煤层在我国各大矿区广泛分布，近距离开采使得相邻两煤层之间巷道掘进、工作面回采矿压显现更加明显。尤其对于采空区下近距离煤层回采，下煤层工作覆岩结构受到上煤层开采破坏，表现出与单一煤层开采不同的结构特征。而其覆岩结构直接决定了下煤层工作面矿压强度，因此研究采空区下近距离煤层覆岩结构特征及工作面支架载荷来源，对于工作面支架工作阻力选择至关重要[1-3]. 以山西某煤矿采空区下近距离煤层下层位工作面支架工作阻力的确定为背景，通过分析工作面覆岩结构，确定支架载荷来源，提出与之对应的工作阻力计算公式，以保证近距离煤层的安全开采。

1 工作面概况

某煤矿主采8、9号煤层，其中8号煤平均厚4.5 m，倾角4°，埋深226 m，目前已经全部回采完毕。9号煤层平均厚2.5 m，平均倾角3°，直接顶为泥岩与炭质泥岩互层，平均厚度2.85 m，基本顶为中粒砂岩、粉砂岩，平均厚度8.32 m，直接底为泥岩，平均厚度1.15 m. 两煤层层间距平均厚12 m，属于典型的近距离煤层。

2 顶板结构分析

2.1 顶板岩层垮落带高度

近距离煤层回采过程中，工作面顶板垮落带高度可以按照以下公式进行计算：

(1)

式中：

H1—垮落带高度，m；

k—矸石的充填系数，取1.25；

M—煤层厚度，m，8号煤层取4.5，9号煤层取2.5.

将8号、9号煤层相关参数带入式(1)，8号煤开采垮落带高度为18 m，9号煤工作面开采垮落带高度为10 m，小于两煤层的层间距。

2.2 工作面覆岩结构

在8号煤层开采过程中，8号煤上覆顶板岩层已经形成了稳定的“砌体梁”结构，但是煤层开采过程中势必会对其底板造成破坏。根据煤层开采垮落带计算结果可知，9号煤层回采的垮落带高度小于两煤层层间距，9号煤层开采过程中已经发生损伤破坏的直接顶岩层会逐渐形成“砌体梁”平衡结构[4-5]. 在这种情况下，9号煤层覆岩结构自上而下就会形成“8号煤基本顶岩层—8号煤冒落矸石岩层—9号煤基本顶岩层—9号煤直接顶岩层”的覆岩结构，见图1.

图1 9号煤层覆岩结构及载荷特征示意图

2.3 支架载荷计算

由图1可知，9号煤层工作面支架静载荷主要来源于9号煤层直接顶载荷、9号煤层基本顶载荷、8号煤层采空区矸石以及8号煤层基本顶垮落岩块的载荷。因此支架的静载荷计算公式为[6]：

(2)

Q1=γH1

(3)

Q2=γk′H3

(4)

S=M-k′H3(K-1)

(5)

考虑到基本顶回转变形会对工作面顶板造成一定动载荷，因此按1.05～1.15倍计算，即

P=(1.05～1.15)P1

(6)

式中：

Q2—基本顶破断岩块自身的重量，kg；

L—压在支架上的岩块的长度，m；

φ—基本顶岩块的内摩擦角，(°)；

θ—基本顶破断角，(°)；

H2—基本顶垮落高度，m；

S—基本顶回转最大下沉值，m；

k′H3—上煤层垮落的矸石高度，m；

M—煤层厚度，m；

H1—9号煤直接顶高度，m.

经计算，9号煤开采时的支架强度为：

P=0.65～0.72 MPa

通过对近距离9号煤层开采覆岩结构及支架载荷来源进行分析，根据计算结果结合设备情况，决定9号煤层工作面支护强度为0.72 MPa，约为4 200 kN.

3 矿压观测

3.1 矿压观测方案

在9号煤9101首采工作面进行矿压观测，工作面布置ZY4200/20 /40 D型支架162台，支架中心距为1.5 m，额定工作阻力为4 200 kN. 工作面每隔10架安装一组压力传感器用以实时监测矿压数据，该次对工作面推进100 m经历6次周期来压的数据进行分析。

3.2 工作面矿压分析

支架压力频率分布见表1. 由表1可以看出，支架工作阻力基本成正态分布，工作面顶板压力主要集中在2 700～3 700 kN，占统计数据的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%数量极少。根据现场矿压监测，9101工作面在实测期间循环末载荷平均值3 683 kN/架与支架工作阻力4 200 kN/架的比值为87.7%，拥有足够的富裕空间。因此进一步证明9号煤层工作面支架工作阻力为4 200 kN是合理的。

3.3 巷道矿压分析

9101工作面主运顺槽和回风顺槽在工作面推进过程中巷道围岩变形量见图2，图3. 由图2,3可知，两顺槽变形量特征基本一致。在工作面煤壁超前30 m范围内变形量较大，大于30 m位置围岩变形量基本稳定。其中主运顺槽顶板下沉量最大为98 mm，两帮移近量最大为57 mm；回风顺槽顶板下沉量最大为59 mm，两帮移近量最大为55 mm；巷道变形量整体较小，完全可以满足工作面安全生产需求。

图2 主运顺槽围岩变形曲线图

图3 回风顺槽围岩变形曲线图

从矿压监测结果可知，选用工作面阻力为4 200 kN的液压支架能够完全承受工作面周期来压的矿压强度，并且留有一定的富裕空间；巷道矿压显现不明显，围岩稳定性好。

表1 支架工作阻力频率分布统计表

4 结 论

以山西某煤矿采空区下近距离煤层下层位工作面支架工作阻力为背景，通过理论分析及现场实测，得出以下结论：

1) 9号煤层覆岩结构自上而下会形成“8号煤基本顶岩层—8号煤冒落矸石岩层—9号煤基本顶岩层—9号煤直接顶岩层”的覆岩结构。

2) 根据覆岩结构，分析得到了支架载荷来源，通过公式计算确定了9号煤层工作面支护强度为0.72 MPa，约4 200 kN.

3) 通过现场矿压监测分析，9101工作面在实测期间循环末载荷平均值3 683 kN/架与支架工作阻力4 200 kN/架的比值为87.7%，拥有足够的富裕空间,两顺槽围岩稳定。证明近距离下煤层回采选用工作阻力为4 200 kN的支架是科学合理的。