某礦7340工作面支架工作阻力校驗(yàn)研究

郭義成

1 工作面概況

某礦7340工作面為跨采區(qū)面，位于礦井一水平，屬中一及中二采區(qū)上提工作面。該面上限以風(fēng)巷（標(biāo)高-310.9～-340.0）為界；下限以機(jī)巷（標(biāo)高-370.0～-393.8）為界；南至切眼；北至設(shè)計(jì)收作線。工作面走向長(zhǎng)1 110 m；傾斜寬平均195 m；斜面積約209 276 m2。上覆51、52煤屬露頭防水煤柱，72煤大部已回采，73煤局部回采，下伏82主可采煤層，大部分已回采。

采區(qū)巷道布置采用煤層群分組巷道聯(lián)合布置方式。機(jī)巷主要用于工作面的進(jìn)風(fēng)和運(yùn)煤，采用梯形工字鋼棚支護(hù)，巷道設(shè)計(jì)凈寬3.2 m，凈高2.5 m，采用塘材笆片過(guò)頂，對(duì)子棚支護(hù)，棚距700 mm；風(fēng)巷主要用于工作面的回風(fēng)、進(jìn)料,斷面尺寸和支護(hù)方式與機(jī)巷相同，都是沿煤層頂板布置。

2 7340工作面不同回采條件的劃分

7340工作面覆巖存在不同的開(kāi)采條件，包括：下覆82煤層已采條件下上覆72煤層綜放遺留浮煤的開(kāi)采、下覆82煤層已采條件下上覆72煤層遺留煤柱下開(kāi)采、下覆82煤層已采條件下72、73煤層采空區(qū)復(fù)采。

2.1 下覆82煤層已采條件下上覆72煤層綜放遺留浮煤區(qū)的開(kāi)采

在7340工作面切眼至Fx7斷層之間的大部分區(qū)域，工作面下覆8212和8214工作面已采，上覆7212和7214為綜放開(kāi)采區(qū)域。工作面開(kāi)采僅能夠回采72煤分層開(kāi)采后所遺留的部分煤炭資源。圖1中陰影部分為72煤綜放開(kāi)采區(qū)域。

圖1 上覆72煤層綜放遺留浮煤區(qū)平面

2.2 下覆82煤層已采條件下上覆72煤層遺留煤柱下的開(kāi)采

根據(jù)72煤層工作面的實(shí)際布置情況，7340工作面在開(kāi)采過(guò)程中，面臨上覆72煤層遺留煤柱下的開(kāi)采問(wèn)題，圖2陰影區(qū)域?yàn)?2煤遺留煤柱區(qū)域。根據(jù)已有的研究成果，工作面在上覆煤柱下開(kāi)采時(shí)與上覆采空區(qū)下開(kāi)采時(shí)礦壓顯現(xiàn)有明顯差異，尤其是在工作面進(jìn)煤柱和出煤柱影響區(qū)域內(nèi)，可能會(huì)出現(xiàn)劇烈的礦壓顯現(xiàn)。

圖2 72煤層遺留煤柱區(qū)域平面

2.3 下覆82煤層已采條件下72、73煤層采空區(qū)復(fù)采

在工作面開(kāi)采的最后階段，面臨下覆82煤層、72、73煤層均以回采后的采空區(qū)復(fù)采問(wèn)題。工作面中下部區(qū)域煤壁主要為遺留采空區(qū)的矸石，僅存部分浮煤。工作面的此類賦存條件，類似于在綜放浮煤區(qū)域的開(kāi)采問(wèn)題，它屬于對(duì)已有采空區(qū)的重復(fù)開(kāi)采問(wèn)題。因此，基于以前已有的分析，該區(qū)域開(kāi)采不存在壓架危險(xiǎn)，但是需要加強(qiáng)防范頂板漏冒。

3 7340工作面合理支架工作阻力校核

按照以上對(duì)工作面下覆區(qū)域的采掘情況和地質(zhì)條件進(jìn)行區(qū)域劃分，對(duì)本工作面在開(kāi)采過(guò)程中支架選型對(duì)有重要的指導(dǎo)作用。并根據(jù)不同覆巖條件下工作面開(kāi)采過(guò)程中來(lái)壓監(jiān)測(cè)與頂板規(guī)律分析，通過(guò)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)和理論分析的方法，對(duì)7340工作面開(kāi)采過(guò)程中所采用的ZY8800/14/32型液壓支架的合理阻力進(jìn)行了分析。

3.1 經(jīng)驗(yàn)估算法

由于礦山地質(zhì)及生產(chǎn)條件復(fù)雜，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)得出了一些計(jì)算支架工作阻力的方法。這些經(jīng)驗(yàn)方法在一定程度上推動(dòng)了支架工作阻力的發(fā)展，其中最具有代表性的是采高容重法[1-3]。

采高容重法是目前應(yīng)用最廣泛也最實(shí)用的方法，多數(shù)采煤國(guó)家都對(duì)采高容重法有過(guò)研究，并得出了適合自己的經(jīng)驗(yàn)公式（表1）。

表1 部分國(guó)家采用的采高容重法

式中：P—支架支護(hù)強(qiáng)度，MPa；m—采高，m；γ—巖塊體積力，kN/m3。

采高容重法作為一種簡(jiǎn)單易行且準(zhǔn)確度較高的經(jīng)驗(yàn)方法，已經(jīng)得到現(xiàn)場(chǎng)的承認(rèn)。在中國(guó)，常用的4～8倍采高容重法適用于采高較小的條件。4～8倍采高容重法是基于懸頂距等于控頂距這個(gè)假設(shè)的。

以7340工作面為例，計(jì)算支架工作阻力。支護(hù)強(qiáng)度：P=K1×m×γ=（4～8）×2.5×24=0.24～0.48 MPa

式中K1為如表1中的中國(guó)區(qū)域范圍內(nèi)的取值，7340工作面的煤層平均厚度為2.5 m，巖塊的體積力根據(jù)巖層特性取值。

按照目前支架的最大控頂距（5.5 m）和最大支架寬度（1.82 m）計(jì)算，所需的支架阻力為：

實(shí)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在來(lái)壓時(shí)支架阻力均超過(guò)5 000 kN，甚至出現(xiàn)有超過(guò)9 000 kN的現(xiàn)象，因此按照4～8倍采高容重法計(jì)算的支架阻力相對(duì)偏小，其計(jì)算方法不能適用于該條件下采煤時(shí)支架工作阻力的估算。

3.2 實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)方法校核支架阻力

通過(guò)支架循環(huán)末阻力值估算支架工作阻力：

σ—實(shí)測(cè)的支架循環(huán)末阻力均方差，kN。

按兩種方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)估算：

（1）按來(lái)壓期間支架最大循環(huán)末阻力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即式（1）中為來(lái)壓期間支架最大循環(huán)末阻力的平均值，此時(shí)，取1倍的均方差，即支架工作阻力的估算方法：

根據(jù)以上方法，對(duì)7340工作面不同覆巖條件下的支架循環(huán)末阻力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.3 綜放浮煤開(kāi)采區(qū)域支架阻力校核

在綜放浮煤開(kāi)采區(qū)域，實(shí)測(cè)支架阻力統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，該區(qū)域支架阻力整體偏小，在工作面接近機(jī)巷453號(hào)鉆孔前后50 m范圍內(nèi)，來(lái)壓時(shí)支架阻力明顯上升，最大來(lái)壓阻力達(dá)到9 178 kN，為額定阻力的104.30%，在后續(xù)開(kāi)采區(qū)域內(nèi)支架阻力最大達(dá)9 774 kN，為額定阻力的111%。按照實(shí)測(cè)方法統(tǒng)計(jì)后測(cè)得出，適應(yīng)該區(qū)域開(kāi)采的支架阻力應(yīng)為9 200 kN。

在頂板距煤層較近的范圍內(nèi)（10倍采高以內(nèi)）存有厚硬頂板時(shí)，即便在該類巖層已經(jīng)受到了一次采動(dòng)的破壞，但是其破斷長(zhǎng)度大，加之可能處于非咬合穩(wěn)定狀態(tài)，在重復(fù)采動(dòng)時(shí)，仍會(huì)造成頂板的二次擾動(dòng)和破壞，并且將上覆的巖層載荷以靜載的方式向下傳遞，所以工作面在此類頂板條件下回采時(shí)，支架阻力一般偏大。針對(duì)7340工作面，雖然其支架阻力已經(jīng)達(dá)到了8 800 kN，仍稍有不足。如果是在動(dòng)載的情況下，仍然會(huì)存在壓架危險(xiǎn)。

3.3.1 上煤層遺留煤柱區(qū)域

由于煤層厚度較大，實(shí)際采高隨之增大，導(dǎo)致支架阻力不足。對(duì)該區(qū)域來(lái)壓相對(duì)明顯的時(shí)刻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在工作面過(guò)上層煤遺留的“7”型煤柱區(qū)域時(shí)，傾向煤柱區(qū)域比走向煤柱區(qū)域?qū)ぷ髅娴挠绊懘?，在走向煤柱區(qū)域，支架阻力校核結(jié)果為7 066 kN，而在傾向煤柱區(qū)域，所需支架阻力為7 993 kN。工作面目前采用的8 800 kN支架能夠適應(yīng)遺留煤柱區(qū)域的開(kāi)采。但是，工作面在開(kāi)采區(qū)域內(nèi)由于煤層采高提高，部分時(shí)段支架因高度偏大支護(hù)阻力稍有不足，對(duì)支架阻力的校核有一定影響。

3.3.2 73煤層已采的復(fù)采區(qū)域

在該區(qū)域內(nèi)，7340工作面屬于頂板完全復(fù)采階段，工作面1-70#均為煤壁均為采空區(qū)矸石，僅上部71-110#支架范圍對(duì)應(yīng)73煤尚未開(kāi)采。對(duì)該區(qū)域來(lái)壓相對(duì)明顯的時(shí)刻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并分析結(jié)果。

可以得出，工作面在73煤已采條件下進(jìn)行復(fù)采，支架阻力一般較小，按照整個(gè)來(lái)壓區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后得出，在該條件下回采時(shí)，所需支架工作阻力為7 954 kN，工作采用的8 800 kN支架能夠滿足回采要求。

4 總結(jié)

（1）7340工作面所采用的ZY8800/14/32型液壓支架基本能夠適應(yīng)不同覆巖條件下的工作面安全開(kāi)采需求。但在頂板存在堅(jiān)硬厚層砂巖情況下，仍稍有不足。

（2）在7340工作面回采過(guò)程中，存在支架阻力超過(guò)額定阻力的情況，主要出現(xiàn)在工作面上部范圍上煤層頂板存在厚硬砂巖老頂?shù)膮^(qū)域。說(shuō)明即使在上煤層已經(jīng)回采后頂板發(fā)生破壞的情況下，如果上煤層開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生過(guò)頂板出水或異常劇烈的礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題，下煤層開(kāi)采時(shí)依然受失穩(wěn)或破壞頂板結(jié)構(gòu)的影響。