寺河礦增大采高后支架工作阻力的分析

趙光明

（山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 金鼎公司，山西 晉城 048006）

0 引言

寺河礦原先使用最大高度為6.2m支架，因條件變化計(jì)劃將采高調(diào)整到7m。采場支架工作阻力是采場支護(hù)的主要參數(shù)之一，一般認(rèn)為支架工作阻力是由于老頂失穩(wěn)破壞以及直接頂自身載荷引起的壓力作用于支架上所形成的。關(guān)于支架工作阻力的合理確定一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)內(nèi)容，近些年基于大量深入的研究探討，總結(jié)出了幾種確定工作面支架阻力的分析方法，本文應(yīng)用這幾種方法對(duì)該煤層液壓支架所需工作阻力進(jìn)行分析計(jì)算。

1 基于充分冒落高度荷載估算方法的支架合理工作阻力計(jì)算

面對(duì)復(fù)雜的礦山地質(zhì)及生產(chǎn)條件，限于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)得出了一些計(jì)算支架工作阻力的方法，其中包括采高容重法、充分冒落高度法等，其本質(zhì)都是對(duì)工作面頂板靜荷載進(jìn)行計(jì)算，因此本文根據(jù)工作面冒落帶高度對(duì)支架合理工作阻力進(jìn)行估算。當(dāng)3＃煤層工作面采高調(diào)大至7.0m時(shí)，取巖石碎脹系數(shù)為1.5進(jìn)行計(jì)算得知，工作面頂板巖層的充分冒落高度為7／（1.5－1）＝14m；從綜合鉆孔數(shù)據(jù)中可以看出，3＃煤層上部約17m內(nèi)多分布為厚度較小的泥巖層、砂質(zhì)泥巖層等，17m上部直接分布有厚度為5m～6m的細(xì)粒砂巖層和砂質(zhì)泥巖層，由此綜合分析可知，3＃煤層直接頂厚約17m，老頂厚約5.5m。根據(jù)綜合分析結(jié)果建立工作面頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型如圖1所示。

工作面頂板垮落巖層的靜荷載為：

其中：F為工作面頂板冒落巖層靜荷載；Q1，Q2為圖1所示部分巖層重量；γ為上覆巖層平均容重，取25 kN／m3；h1為支架控頂高度，取17m；L為工作面最大控頂距，取5.535m；b為支架寬度，b＝1.75m；α為所控制巖層平均破斷角，取60°。經(jīng)計(jì)算F＝7 764.38 kN。

圖1 頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

據(jù)寺河礦已采工作面及正在回采工作面礦壓規(guī)律的分析結(jié)果可知，在工作面的生產(chǎn)階段，老頂來壓時(shí)動(dòng)載系數(shù)K為1.2～1.5。若按最大動(dòng)載系數(shù)計(jì)算，工作面支架合理工作阻力最大為：

按最小動(dòng)載系數(shù)計(jì)算，工作面支架合理工作阻力最小為：

由以上計(jì)算結(jié)果可以看出，以3＃煤層工作面頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型為依據(jù)，9 317.26kN～11 646.57kN的支架阻力能夠滿足工作面頂板的維護(hù)需求。

2 基于錢氏“關(guān)鍵巖層理論”的支架合理工作阻力分析

按照長壁工作面的關(guān)鍵巖層控制理論，對(duì)老頂?shù)摹捌鲶w梁”式結(jié)構(gòu)失穩(wěn)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算原理如圖2所示。

圖2 “砌體梁”式結(jié)構(gòu)失穩(wěn)計(jì)算原理

根據(jù)理論推導(dǎo)，采場支架平衡失穩(wěn)老頂（基本頂）需要的工作阻力為：

其中：P1為直接頂?shù)妮d荷，kN；P2為老頂（基本頂）失穩(wěn)所需要平衡的載荷，kN。

其中：R0為工作面煤壁前方巖塊的剪切力；Li0為懸露巖塊長度，此處取為最大老頂周期來壓步距20m；Qi0為懸露巖塊重量，kN；h2為老頂厚度，為5.5m；Si0為懸露巖塊B的下沉量；θ為巖塊內(nèi)摩擦角，θ＝30°。

在巖塊開成平衡的條件下，R0等于巖塊重力，即R0＝QA＋B。若取B巖塊斷裂長度與A巖塊相當(dāng)，則老巖B的下沉量Si0＝h2／6＝0.92m。巖塊重量由下式計(jì)算：

將相關(guān)參數(shù)代入式（2）～式（4），計(jì)算得QA＋B＝9 625kN，P1＝7 764.38kN，P2＝3 562.09kN。

因此，在寺河礦3＃煤層條件下，綜采工作面采高調(diào)大至7.0m時(shí)初次來壓期間液壓支架應(yīng)該具有的額定工作阻力為：

據(jù)此計(jì)算，若寺河礦綜采工作面采高調(diào)至7.0m后，11 326.47kN的支架額定工作阻力即能滿足頂板控制的需求。

3 基于礦壓觀測數(shù)據(jù)的支架合理工作阻力分析

對(duì)于工作面支架工作阻力的確定而言，最有效且最具工程實(shí)踐說服力的方法是通過支架阻力的現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行分析，寺河礦4301工作面為3＃煤層一次采全高，工作面設(shè)計(jì)采高為6.0m，長度300m。老頂為厚度7.10m的中粒砂巖層；直接頂為厚度2.43m的砂質(zhì)泥巖層；工作面采用二柱支撐掩護(hù)支架，額定工作阻力為12 000kN，額定初撐力為7 917kN。由于寺河礦現(xiàn)階段工作面采高還未達(dá)到7.0m，因此，通過對(duì)寺河礦已采的4301大采高300m加長工作面支架阻力監(jiān)測數(shù)據(jù)初步進(jìn)行分析。通過監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)，在4301工作面生產(chǎn)各階段，工作面支架循環(huán)末阻力主要為7 000kN～10 000kN，約占支架額定工作阻力的58.3%～83.3%，由于工作面支撐升架不充分，支架初撐力偏低，直接導(dǎo)致頂板來壓過程中，個(gè)別支架工作阻力達(dá)到了12 000kN，致使安全閥開啟，支架工作阻力超限部分最大值不超過500kN，即超出不到4%。由4301工作面監(jiān)測結(jié)果還可以看出，生產(chǎn)過程中，工作面支架初撐力普遍偏低，初采階段，平均初撐力不足4 000kN；正?；夭呻A段，支架初撐力遠(yuǎn)未達(dá)到額定初撐力，僅為額定初撐力的55.8%，部分支架的平均初撐力不足4 000kN；末采階段，工作面的平均初撐力為4 487.23kN，約為支架額定初撐力的56.8%。工作面支架初撐力普遍偏低直接導(dǎo)致了頂板下沉較大，支架增阻特性明顯，個(gè)別支架工作阻力甚至在老頂來壓時(shí)超過了12 000kN，這主要是由于支架升架不充分，不能有效接頂造成的。

綜合以上工作面支架阻力監(jiān)測統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，工作面支架利用率僅占到65%左右，支架利用率低，富余量大，能滿足工作面頂板的維護(hù)要求。根據(jù)寺河礦4301綜采工作面礦壓監(jiān)測情況來看，若將采高調(diào)大至7.0m，12 000kN的支架額定工作阻力能夠滿足工作面頂板的控制要求。

4 結(jié)論

寺河礦3＃煤層頂?shù)装鍡l件較好，且不存在上覆采空區(qū)區(qū)域、遺留煤柱區(qū)域等的影響作用。結(jié)合寺河礦正在回采工作面的礦壓觀測情況和分析計(jì)算，綜合判斷12 000kN的支架額定工作阻力就能夠滿足寺河礦3＃煤層7.0m采高工作面頂板的管理需求。