張世偉

(同煤集團(tuán)永煤公司， 山西 大同 037000)

1 前言

隨著煤炭開采技術(shù)以及開采設(shè)備的不斷提升，礦井機(jī)械化水平顯著得以提升。礦井支護(hù)對保證礦井生產(chǎn)安全具有重要意義[1]。特別是對于厚煤層開采工作面，合理的選擇液壓支架對保證頂板穩(wěn)定，提高煤炭回收率以及礦井經(jīng)濟(jì)效益都有顯著影響[2]。采用的液壓支架工作阻力低時(shí)會(huì)引起周期來壓來壓強(qiáng)度大、來壓系數(shù)高，造成煤壁片幫嚴(yán)重；液壓支架工作阻高時(shí)，會(huì)增加礦井生產(chǎn)投入，采空區(qū)后方頂板垮落困難，降低綜放開采回收率[3]。

本文以山西某礦開采的5號(hào)煤層為研究對象，在對頂板巖性以及組成進(jìn)行類型劃分及評(píng)價(jià)，并根據(jù)工作面開采時(shí)的礦壓實(shí)測結(jié)果，對工作面支架支護(hù)強(qiáng)度對工作面穩(wěn)定性影響進(jìn)行分析，綜合確定采用的支護(hù)強(qiáng)度，保證工作面生產(chǎn)安全以及經(jīng)濟(jì)效益。

2 頂板分析

2.1 頂板結(jié)構(gòu)分析

礦井現(xiàn)正回采5號(hào)煤層101203工作面，5號(hào)煤層賦存較為穩(wěn)定，屬于全區(qū)可采煤層，煤層厚度在6.9～9.2m，平均厚度在7.68m，直接頂多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，部分區(qū)域中間夾雜有粗砂巖或者砂礫，厚度1.2～6.9m；基本頂多為中砂巖、粗砂巖，厚度5.3～9.6m。工作面采用綜放開采工藝，采放比控制在1∶0.85。根據(jù)已經(jīng)回采完畢的101201、101202以及未采的101205、101207掘進(jìn)巷道頂板情況，得到不同工作面的頂板巖層結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)見表1。

表1 不同工作面頂板巖層結(jié)構(gòu)

從表1中可以看出，5號(hào)煤層在北部盤區(qū)開采期間礦壓顯現(xiàn)較為明顯，在余下的工作面頂板控制過程中，應(yīng)適當(dāng)?shù)奶嵘簤褐Ъ艿闹巫枇Γ岣邍鷰r的支護(hù)強(qiáng)度。

2.2 煤層頂板類型劃分

根據(jù)礦井地質(zhì)資料可以得知，5號(hào)煤層平均厚度在7.68m，煤炭按照90%回收率進(jìn)行計(jì)算，開采及放煤高度在6.91m。8號(hào)煤層直接頂平均厚度在3.2m，則101203采面開采期間的煤層直接頂h與采高M(jìn)之間的比值Km為

(1)

依據(jù)沈陽煤科院提供的5號(hào)煤層開采期間的初次來壓步距L為53.62m，參考基本頂分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[4]，綜合判斷，5號(hào)開采期間的頂板分級(jí)為Ⅲ級(jí)，屬于強(qiáng)烈來壓頂板。分級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 基本頂分級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)

3 礦壓顯現(xiàn)實(shí)測分析

3.1 壓力監(jiān)測儀布置

為了有效對工作面推進(jìn)過程中的礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行觀測，在機(jī)頭位置處的30號(hào)液壓支架、中部的53、61～63、67～68支架以及機(jī)尾處的120～121號(hào)支架，安裝壓力監(jiān)測儀，對工作面的上、中、下等部位的礦壓顯現(xiàn)情況進(jìn)行監(jiān)測，具體礦壓監(jiān)測儀布置如圖1所示。

圖1 工作面液壓支架壓力監(jiān)測儀布置

根據(jù)101203工作面礦壓顯現(xiàn)觀測結(jié)果，對北部盤區(qū)開采5號(hào)煤層期間的周期來壓步距、來壓強(qiáng)度(最大強(qiáng)度、最小強(qiáng)度)以及周期性來壓顯現(xiàn)情況、周期來壓分布規(guī)律等進(jìn)行分析，為后續(xù)的工作面液壓支架選型以及頂板支護(hù)強(qiáng)度確定提供參考依據(jù)。

3.2 壓力監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)在液壓支架上布置的壓力監(jiān)測儀載荷變化情況，具體的采面液壓支架壓力監(jiān)測情況見表3。得出工作面開采期間的基本頂周期來壓步距在10.3～19.2m，平均來壓步距在14.6m。在對支架支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行確定時(shí)，可以選用19.21m周期來壓步距。

根據(jù)工作面礦壓顯現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果，液壓支架初撐力值分布在20.2～42MPa，平均21.9MPa，占設(shè)定的支架初撐力(31.5MPa)69.52%，液壓支架的實(shí)際初撐力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；支架循環(huán)末阻力均值在29.8～39.1MPa,平均值為35.6MPa，比支架額定初撐力高13%；工作面基本頂周期來壓時(shí)，液壓支架的最大工作阻力在45.3～51.5MPa，平均為49.4MPa，占支架額定工作阻力(49.5MPa)99.8%。

從工作面礦壓顯現(xiàn)監(jiān)測分析得知，在整個(gè)礦壓監(jiān)測期間，循環(huán)末阻力均值/初撐力比值分布在1.39～1.83，平均1.62。從工作面生產(chǎn)期間礦壓宏觀觀測結(jié)果得出，應(yīng)適當(dāng)提高液壓支架的初撐力，降低循環(huán)末阻力均值，循環(huán)末阻力均值/初撐力比值接近1.25，以便更好的對工作面頂板進(jìn)行管理控制。工作面推進(jìn)前周期來壓系數(shù)分布在1.31～1.63，平均1.46，表明工作面周期來壓顯現(xiàn)較為明顯。因此，在對液壓支架選型時(shí)應(yīng)適當(dāng)?shù)奶嵘Ъ茴~定工作阻力。

表3 壓力監(jiān)測儀監(jiān)測結(jié)果

3.3 采煤工作面頂板控制效果及支架支撐效果分析

由于5號(hào)煤層上方存在厚度較大的砂巖，工作面來壓期間，支架無法有效對綜放工作面采場頂板巖層進(jìn)行控制。在31～62號(hào)支架間，存在支架仰頭情況，約占總支架數(shù)量的20%～40%；工作面正常生產(chǎn)期間，支架頂梁接頂效果有所好轉(zhuǎn)，但是仍有11～45號(hào)支架存在頂梁接頂效果不佳問題，約占支架總數(shù)的10%～35%。

在工作面生產(chǎn)過程中，采煤工作面煤壁出現(xiàn)片幫的距離為53.3～106.5m，片幫高度多集中在2～3m，片幫深度多集中在1.1～1.6m，煤壁片幫距離約占采面總長度的19.8%～40.6%，占比與工作面支架存在仰頭占比20%～40%接近。工作面片幫最為嚴(yán)重的區(qū)域主要發(fā)生在工作面中上部的105.8m范圍內(nèi)，即工作面2/5位置長度處，工作面煤壁出現(xiàn)較為明顯的片幫，表明工作面支架的頂板支護(hù)效果不明顯，控頂效果差，液壓支架工作阻力不能得到有效發(fā)揮，在一定程度上制約工作面生產(chǎn)效率，影響生產(chǎn)安全。

在工作面礦壓監(jiān)測期間，運(yùn)輸巷存在一定的漏頂情況，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，出現(xiàn)漏頂?shù)囊簤褐Ъ芗s占采面液壓支架總數(shù)的7%～41%，冒落寬度約1m，冒落高度在2～3m，現(xiàn)采用的液壓支架無法較好的勝任5號(hào)煤層開采期間的頂板支護(hù)工作，頂板管控效果差。

4 工作面合理支護(hù)強(qiáng)度確定

4.1 回歸計(jì)算分析

參考《緩傾斜煤層頂板分類方案》(MT/T 554—1996)中有關(guān)支架支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算公式[5]，對工作面液壓支架頂支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

PH=72.3hm+4.5L0+78.9BC-10.2N-62.1

(2)

式中，PH為支架額定支護(hù)強(qiáng)度，kPa;hm為采高，m;L0為工作面初次來壓步距，m；Bc為工作面支架控頂距，m；N為采空區(qū)充填系數(shù)。

根據(jù)工作面實(shí)際情況，取hm為6.91m，L0為53.62m，Bc為5.37m，N為0.58m，將上述參數(shù)帶入到式(2)中計(jì)算得出，PH為1 088.2kPa。

工作面額定工作阻力QS計(jì)算公式為

Qs=Ks·PH·BC·L

(3)

式中，Ks為安全系數(shù)，取值1.25；L為基本頂周期斷裂步距，取值1.75m。

代入相關(guān)參數(shù)，可以計(jì)算求得液壓支架額定工作阻力QS為13 062 kN/架，因此可以推斷出液壓支架對頂板的合理支護(hù)強(qiáng)度qe應(yīng)大于1.39MPa，支架支護(hù)頂板時(shí)采用13 000kN液壓支架是可行的。

4.2 關(guān)鍵層理論分析

根據(jù)礦壓顯現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果，工作面開采時(shí)的周期來壓步距為10.3～19.2m，5號(hào)煤層頂板砂巖厚度為20～36m，實(shí)測出工作面的周期來壓步距平均為14.6m，煤層基本頂厚度為20m，此時(shí)的液壓支架工作阻力P為[6]：

(4)

式中，L為5號(hào)煤層頂巖斷裂步距，取值為1.75m；γ為5號(hào)煤層直接頂重力密度(25kN/m3)；∑h為5號(hào)煤層直接頂厚度，取值為3.8m;hi為5號(hào)煤層基本頂厚度，取值為8.9m；γi為5號(hào)煤層基本頂重力密度27kN/m3。將上述參數(shù)帶入到式(4)中，可以得到在關(guān)鍵層理論下的采面液壓支架工作阻力P為12 608kN/架。

根據(jù)關(guān)鍵層理論計(jì)算出的5號(hào)煤層綜放工作面開采時(shí)的液壓支架工作阻力為12 608kN/架，由于推測，采用的液壓支架合理的支護(hù)強(qiáng)度qe應(yīng)在1.35MPa以上，因此可以選擇支護(hù)阻力為13 000kN液壓支架，確保工作面開采安全，覆巖移動(dòng)如圖2所示。

圖2 綜放開采時(shí)覆巖移動(dòng)示意圖

4.3 礦壓觀測分析

根據(jù)液壓支架最大支承阻力監(jiān)測情況，對確定5號(hào)煤層在北部盤區(qū)開采時(shí)的液壓支架額定工作阻力以及支護(hù)強(qiáng)度更具針對性。在采面開采推進(jìn)到中部位置時(shí)，在周期來壓期間最大支承阻力平均值Pmmax=49.4MPa，合理的液壓支架額定工作阻力Pe為

(5)

式中，D為液壓支架支柱直徑，取值為0.38m。

若根據(jù)監(jiān)測到的支架最大工作阻力51.5MPa計(jì)算，則5號(hào)煤層開采期間的液壓支架支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)在1.23MPa。

根據(jù)礦壓觀測結(jié)果，5號(hào)煤層開采的液壓支架的合理支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)控制在1.18～1.23MPa。

綜上，根據(jù)回歸計(jì)算、關(guān)鍵層理論分析以及礦壓實(shí)測分析，5號(hào)煤層開采時(shí)的液壓支架支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)分別大于1.39MPa、1.35MPa以及1.23MPa。統(tǒng)籌分析以上采面支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，最終確定在5號(hào)煤層在北部盤區(qū)地質(zhì)賦存條件下，工作面液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)控制在1.35MPa以上。

5 結(jié)論

(1)回采工作面開采時(shí)頂板覆巖巖性、厚度以及斷裂步距直接影響到工作面液壓支架承載的壓力，根據(jù)煤層頂板分類標(biāo)準(zhǔn)，綜合確定5號(hào)煤層頂板為Ⅲ級(jí)，屬于來壓強(qiáng)烈頂板。

(2)根據(jù)101203工作面礦壓顯現(xiàn)監(jiān)測資料，從液壓支架支護(hù)阻力、支架頂梁與頂板接觸情況、工作面煤壁片幫以及運(yùn)輸巷漏頂?shù)确矫鎸ΦV壓顯現(xiàn)進(jìn)行分析，根據(jù)礦壓分析結(jié)果，建議提升支架的額定工作阻力以及支護(hù)強(qiáng)度，強(qiáng)化對采面頂板巖層控制，充分發(fā)揮支架性能。

(3)通過理論計(jì)算分析、工作面礦壓監(jiān)測分析，綜合確定5號(hào)煤層在北部盤區(qū)地質(zhì)條件下的液壓支架支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)在1.35MPa以上。