王瑞杰

(山西忻州神達(dá)棲鳳煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700)

在我國(guó)煤炭資源賦存中，厚煤層及特厚煤層煤炭資源占40%以上，隨著地質(zhì)條件較好的煤炭資源逐步開(kāi)采殆盡，厚煤層煤炭開(kāi)采逐漸走進(jìn)大眾視野。目前常見(jiàn)的厚煤層開(kāi)采方法有分層開(kāi)采和放頂煤開(kāi)采，其中放頂煤開(kāi)采具有開(kāi)采成本低、產(chǎn)能效率高等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。在綜放開(kāi)采過(guò)程中，由于一次性采出空間較大，其頂板活動(dòng)規(guī)律與采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律相對(duì)復(fù)雜，尤其當(dāng)其傾角較大時(shí)更為復(fù)雜，工作面頂板的穩(wěn)定控制直接關(guān)系到回采工作的正常進(jìn)行[4-5]。為此，本文以棲鳳煤業(yè)51408工作面為工程背景，通過(guò)理論計(jì)算得到工作面直接頂和基本頂初次來(lái)壓、周期來(lái)壓步距及所需的支架控制強(qiáng)度，基于此進(jìn)行支架選型，同時(shí)在工作面回采期間監(jiān)測(cè)支架受力情況，從而揭示綜放面采場(chǎng)礦壓規(guī)律，為工作面布置和回采速度設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。

1 工程概況

棲鳳煤業(yè)514采區(qū)51408工作面埋深257～283 m，位于井田西南部，工作面開(kāi)采5號(hào)煤層，工作面計(jì)劃采用走向長(zhǎng)壁整層放頂煤采煤法，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度758 m，傾向長(zhǎng)度120 m，煤層厚度12.44～18.00 m，平均值為15.22 m，平均傾角21°。該煤層含夾石1～3層，夾石厚0.15～0.60 m，一般小于0.50 m，屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單-中等，為特厚煤層，屬穩(wěn)定可采煤層。工作面?zhèn)雾敒槟鄮r、砂質(zhì)泥巖，厚度0～0.65 m，平均0.25 m，巖性為灰色、灰黑色，質(zhì)軟，屬軟弱-半堅(jiān)硬巖石；工作面直接頂為砂巖、泥巖，厚度1.03～5.02 m，平均2.15 m，巖性為深灰-灰黑色，含植物化石，質(zhì)較軟，屬軟弱-半堅(jiān)硬巖石；工作面基本頂為中細(xì)粒、中粗粒砂巖，厚度7.45～16.27 m，平均11.7 m，巖性為灰白色，質(zhì)硬，裂隙發(fā)育，成分主要以石英為主，屬半堅(jiān)硬-堅(jiān)硬巖石。

2 綜放面頂板運(yùn)動(dòng)特征與支架選型

2.1 工作面頂板來(lái)壓步距計(jì)算

2.1.1 直接頂來(lái)壓步距計(jì)算

1) 直接頂初次來(lái)壓步距為：

(1)

式中:L1表示直接頂初次來(lái)壓步距，h1為直接頂平均厚度，取2.15 m；σt為直接頂巖石的抗拉強(qiáng)度極限，取2.70 MPa；q為直接頂巖層單位長(zhǎng)度的重量及其載荷，直接頂容重取2 500 kg/m3，計(jì)算得到：

2) 直接頂周期來(lái)壓步距為：

(2)

計(jì)算得到：L2=8.8 m。

2.1.2 基本頂來(lái)壓步距計(jì)算

1) 基本頂初次來(lái)壓步距為：

(3)

式中，L3表示直接頂初次來(lái)壓步距，h3為基本頂平均厚度，取11.7 m；σt為基本頂巖石的抗拉強(qiáng)度極限，取2.70 MPa；q為直接頂巖層單位長(zhǎng)度的重量及其載荷，直接頂巖層容重取2 500 kg/m3，計(jì)算得到：

2) 基本頂周期來(lái)壓步距為：

(4)

計(jì)算得到：L4=20.5 m。

2.1.3 工作面頂板來(lái)壓步距預(yù)計(jì)

根據(jù)5號(hào)煤層已接近采完的51406工作面礦壓觀(guān)測(cè)資料，以及工作面頂板初次及周期來(lái)壓情況，51406工作面直接頂隨采隨落，工作面老頂周期來(lái)壓明顯。通過(guò)計(jì)算并結(jié)合51406頂板運(yùn)動(dòng)控制情況，預(yù)計(jì)51408工作面直接頂初次垮落步距為22 m，周期來(lái)壓步距為8～10 m；老頂初次來(lái)壓步距為50 m；老頂周期來(lái)壓步距為21 m。

2.2 液壓支架強(qiáng)度的計(jì)算與選型

根據(jù)頂板壓力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式

P1=NHFR

(5)

式中:P1為頂板壓力，N為壓力系數(shù)，一般6～8，這里取8；H為工作面采高，取2.7 m；F為單架支架承載面積，取6.75 m2；R為頂板巖石平均容重，取2 500 kg/m3。則P1=8×2.7×6.75×2.5=366 t/架。

綜上所述，確定采用ZF5500/18/29型液壓支架，其額定工作阻力換算為P額=561 t/架>P1，滿(mǎn)足要求，具體支架支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 ZF5500/18/29型液壓支架支護(hù)參數(shù)

3 現(xiàn)場(chǎng)礦壓規(guī)律分析

棲鳳煤業(yè)51408綜放面開(kāi)采時(shí)，工作面頂板管理方式采取全部跨落法，工作面中部配置73組ZF5500/18/29支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架，兩端頭配置7組ZFG6000/19/30H型四柱支撐掩護(hù)式低位放頂煤過(guò)渡支架，全面共80組支架(從下向上依次編號(hào))，對(duì)工作面頂板采取全面支護(hù)管理?；夭蛇^(guò)程中，采用重慶煤科院研發(fā)的KJ693頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)了支架受力情況，表2和圖1、2給出了工作面上部、中部、下部各5架支架礦壓結(jié)果匯總數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)圖。

圖1 工作來(lái)壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

表2 礦壓觀(guān)測(cè)結(jié)果匯總

1) 工作面上部礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果：初次來(lái)壓步距在51.12～55.97 m范圍內(nèi)，平均步距53.50 m；初次來(lái)壓強(qiáng)度在25.94～27.83 MPa范圍內(nèi)，平均強(qiáng)度26.69 MPa；周期來(lái)壓步距在22.09～26.46 m范圍內(nèi)，平均步距24.57 m；周期來(lái)壓強(qiáng)度在23.40～25.12 MPa范圍內(nèi)，平均強(qiáng)度24.08 MPa。

2) 工作面中部礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果：初次來(lái)壓步距在45.23～48.52 m范圍內(nèi)，平均步距47.05 m；初次來(lái)壓強(qiáng)度在27.16～29.41 MPa范圍內(nèi)，平均強(qiáng)度28.23 MPa；周期來(lái)壓步距在16.80～19.90 m范圍內(nèi)，平均步距18.69 m；周期來(lái)壓強(qiáng)度在24.98～26.93 MPa范圍內(nèi)，平均強(qiáng)度25.90 MPa。

3) 工作面下部礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果：初次來(lái)壓步距在48.69～51.10 m范圍內(nèi)，平均步距49.96 m；初次來(lái)壓強(qiáng)度在27.80～30.13 MPa范圍內(nèi)，平均強(qiáng)度29.12 MPa；周期來(lái)壓步距在20.09～24.45 m范圍內(nèi)，平均步距22.44 m；周期來(lái)壓強(qiáng)度在25.86～29.28 MPa范圍內(nèi)，平均強(qiáng)度27.02 MPa。

綜上所述，現(xiàn)場(chǎng)礦壓規(guī)律與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，表明了理論計(jì)算的合理性和可靠性。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，工作面下部礦壓顯現(xiàn)相對(duì)嚴(yán)重，其初次和周期來(lái)壓強(qiáng)度最大，動(dòng)載系數(shù)最大，而工作面中部頂板巖層提前破斷，來(lái)壓步距較小。

圖2 工作來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 語(yǔ)

綜放開(kāi)采一次性采出空間較大，其頂板活動(dòng)規(guī)律與采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律相對(duì)復(fù)雜，理論計(jì)算了棲鳳煤業(yè)51408工作面直接頂和基本頂初次來(lái)壓、周期來(lái)壓步距及所需的支架強(qiáng)度，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了支架受力情況，結(jié)果顯示，煤層傾角導(dǎo)致工作面下部礦壓顯現(xiàn)相對(duì)嚴(yán)重，其初次和周期來(lái)壓強(qiáng)度最大，動(dòng)載系數(shù)最大，而工作面跨度較大導(dǎo)致工作面中部頂板巖層提前破斷，來(lái)壓步距較小。