寺河矿增大采高后支架工作阻力的分析

赵光明

（山西晋城煤业集团 金鼎公司，山西 晋城 048006）

0 引言

寺河矿原先使用最大高度为6.2m支架，因条件变化计划将采高调整到7m。采场支架工作阻力是采场支护的主要参数之一，一般认为支架工作阻力是由于老顶失稳破坏以及直接顶自身载荷引起的压力作用于支架上所形成的。关于支架工作阻力的合理确定一直是国内外学者研究的重点内容，近些年基于大量深入的研究探讨，总结出了几种确定工作面支架阻力的分析方法，本文应用这几种方法对该煤层液压支架所需工作阻力进行分析计算。

1 基于充分冒落高度荷载估算方法的支架合理工作阻力计算

面对复杂的矿山地质及生产条件，限于科学技术的发展，人们根据现场经验得出了一些计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，其本质都是对工作面顶板静荷载进行计算，因此本文根据工作面冒落带高度对支架合理工作阻力进行估算。当3＃煤层工作面采高调大至7.0m时，取岩石碎胀系数为1.5进行计算得知，工作面顶板岩层的充分冒落高度为7／（1.5－1）＝14m；从综合钻孔数据中可以看出，3＃煤层上部约17m内多分布为厚度较小的泥岩层、砂质泥岩层等，17m上部直接分布有厚度为5m～6m的细粒砂岩层和砂质泥岩层，由此综合分析可知，3＃煤层直接顶厚约17m，老顶厚约5.5m。根据综合分析结果建立工作面顶板结构力学模型如图1所示。

工作面顶板垮落岩层的静荷载为：

其中：F为工作面顶板冒落岩层静荷载；Q1，Q2为图1所示部分岩层重量；γ为上覆岩层平均容重，取25 kN／m3；h1为支架控顶高度，取17m；L为工作面最大控顶距，取5.535m；b为支架宽度，b＝1.75m；α为所控制岩层平均破断角，取60°。经计算F＝7 764.38 kN。

图1 顶板结构力学模型

据寺河矿已采工作面及正在回采工作面矿压规律的分析结果可知，在工作面的生产阶段，老顶来压时动载系数K为1.2～1.5。若按最大动载系数计算，工作面支架合理工作阻力最大为：

按最小动载系数计算，工作面支架合理工作阻力最小为：

由以上计算结果可以看出，以3＃煤层工作面顶板结构力学模型为依据，9 317.26kN～11 646.57kN的支架阻力能够满足工作面顶板的维护需求。

2 基于钱氏“关键岩层理论”的支架合理工作阻力分析

按照长壁工作面的关键岩层控制理论，对老顶的“砌体梁”式结构失稳进行计算，计算原理如图2所示。

图2 “砌体梁”式结构失稳计算原理

根据理论推导，采场支架平衡失稳老顶（基本顶）需要的工作阻力为：

其中：P1为直接顶的载荷，kN；P2为老顶（基本顶）失稳所需要平衡的载荷，kN。

其中：R0为工作面煤壁前方岩块的剪切力；Li0为悬露岩块长度，此处取为最大老顶周期来压步距20m；Qi0为悬露岩块重量，kN；h2为老顶厚度，为5.5m；Si0为悬露岩块B的下沉量；θ为岩块内摩擦角，θ＝30°。

在岩块开成平衡的条件下，R0等于岩块重力，即R0＝QA＋B。若取B岩块断裂长度与A岩块相当，则老岩B的下沉量Si0＝h2／6＝0.92m。岩块重量由下式计算：

将相关参数代入式（2）～式（4），计算得QA＋B＝9 625kN，P1＝7 764.38kN，P2＝3 562.09kN。

因此，在寺河矿3＃煤层条件下，综采工作面采高调大至7.0m时初次来压期间液压支架应该具有的额定工作阻力为：

据此计算，若寺河矿综采工作面采高调至7.0m后，11 326.47kN的支架额定工作阻力即能满足顶板控制的需求。

3 基于矿压观测数据的支架合理工作阻力分析

对于工作面支架工作阻力的确定而言，最有效且最具工程实践说服力的方法是通过支架阻力的现场实测进行分析，寺河矿4301工作面为3＃煤层一次采全高，工作面设计采高为6.0m，长度300m。老顶为厚度7.10m的中粒砂岩层；直接顶为厚度2.43m的砂质泥岩层；工作面采用二柱支撑掩护支架，额定工作阻力为12 000kN，额定初撑力为7 917kN。由于寺河矿现阶段工作面采高还未达到7.0m，因此，通过对寺河矿已采的4301大采高300m加长工作面支架阻力监测数据初步进行分析。通过监测分析发现，在4301工作面生产各阶段，工作面支架循环末阻力主要为7 000kN～10 000kN，约占支架额定工作阻力的58.3%～83.3%，由于工作面支撑升架不充分，支架初撑力偏低，直接导致顶板来压过程中，个别支架工作阻力达到了12 000kN，致使安全阀开启，支架工作阻力超限部分最大值不超过500kN，即超出不到4%。由4301工作面监测结果还可以看出，生产过程中，工作面支架初撑力普遍偏低，初采阶段，平均初撑力不足4 000kN；正常回采阶段，支架初撑力远未达到额定初撑力，仅为额定初撑力的55.8%，部分支架的平均初撑力不足4 000kN；末采阶段，工作面的平均初撑力为4 487.23kN，约为支架额定初撑力的56.8%。工作面支架初撑力普遍偏低直接导致了顶板下沉较大，支架增阻特性明显，个别支架工作阻力甚至在老顶来压时超过了12 000kN，这主要是由于支架升架不充分，不能有效接顶造成的。

综合以上工作面支架阻力监测统计结果可知，工作面支架利用率仅占到65%左右，支架利用率低，富余量大，能满足工作面顶板的维护要求。根据寺河矿4301综采工作面矿压监测情况来看，若将采高调大至7.0m，12 000kN的支架额定工作阻力能够满足工作面顶板的控制要求。

4 结论

寺河矿3＃煤层顶底板条件较好，且不存在上覆采空区区域、遗留煤柱区域等的影响作用。结合寺河矿正在回采工作面的矿压观测情况和分析计算，综合判断12 000kN的支架额定工作阻力就能够满足寺河矿3＃煤层7.0m采高工作面顶板的管理需求。