某矿7340工作面支架工作阻力校验研究

郭义成

1 工作面概况

某矿7340工作面为跨采区面，位于矿井一水平，属中一及中二采区上提工作面。该面上限以风巷（标高-310.9～-340.0）为界；下限以机巷（标高-370.0～-393.8）为界；南至切眼；北至设计收作线。工作面走向长1 110 m；倾斜宽平均195 m；斜面积约209 276 m2。上覆51、52煤属露头防水煤柱，72煤大部已回采，73煤局部回采，下伏82主可采煤层，大部分已回采。

采区巷道布置采用煤层群分组巷道联合布置方式。机巷主要用于工作面的进风和运煤，采用梯形工字钢棚支护，巷道设计净宽3.2 m，净高2.5 m，采用塘材笆片过顶，对子棚支护，棚距700 mm；风巷主要用于工作面的回风、进料,断面尺寸和支护方式与机巷相同，都是沿煤层顶板布置。

2 7340工作面不同回采条件的划分

7340工作面覆岩存在不同的开采条件，包括：下覆82煤层已采条件下上覆72煤层综放遗留浮煤的开采、下覆82煤层已采条件下上覆72煤层遗留煤柱下开采、下覆82煤层已采条件下72、73煤层采空区复采。

2.1 下覆82煤层已采条件下上覆72煤层综放遗留浮煤区的开采

在7340工作面切眼至Fx7断层之间的大部分区域，工作面下覆8212和8214工作面已采，上覆7212和7214为综放开采区域。工作面开采仅能够回采72煤分层开采后所遗留的部分煤炭资源。图1中阴影部分为72煤综放开采区域。

图1 上覆72煤层综放遗留浮煤区平面

2.2 下覆82煤层已采条件下上覆72煤层遗留煤柱下的开采

根据72煤层工作面的实际布置情况，7340工作面在开采过程中，面临上覆72煤层遗留煤柱下的开采问题，图2阴影区域为72煤遗留煤柱区域。根据已有的研究成果，工作面在上覆煤柱下开采时与上覆采空区下开采时矿压显现有明显差异，尤其是在工作面进煤柱和出煤柱影响区域内，可能会出现剧烈的矿压显现。

图2 72煤层遗留煤柱区域平面

2.3 下覆82煤层已采条件下72、73煤层采空区复采

在工作面开采的最后阶段，面临下覆82煤层、72、73煤层均以回采后的采空区复采问题。工作面中下部区域煤壁主要为遗留采空区的矸石，仅存部分浮煤。工作面的此类赋存条件，类似于在综放浮煤区域的开采问题，它属于对已有采空区的重复开采问题。因此，基于以前已有的分析，该区域开采不存在压架危险，但是需要加强防范顶板漏冒。

3 7340工作面合理支架工作阻力校核

按照以上对工作面下覆区域的采掘情况和地质条件进行区域划分，对本工作面在开采过程中支架选型对有重要的指导作用。并根据不同覆岩条件下工作面开采过程中来压监测与顶板规律分析，通过实测统计和理论分析的方法，对7340工作面开采过程中所采用的ZY8800/14/32型液压支架的合理阻力进行了分析。

3.1 经验估算法

由于矿山地质及生产条件复杂，根据现场经验得出了一些计算支架工作阻力的方法。这些经验方法在一定程度上推动了支架工作阻力的发展，其中最具有代表性的是采高容重法[1-3]。

采高容重法是目前应用最广泛也最实用的方法，多数采煤国家都对采高容重法有过研究，并得出了适合自己的经验公式（表1）。

表1 部分国家采用的采高容重法

式中：P—支架支护强度，MPa；m—采高，m；γ—岩块体积力，kN/m3。

采高容重法作为一种简单易行且准确度较高的经验方法，已经得到现场的承认。在中国，常用的4～8倍采高容重法适用于采高较小的条件。4～8倍采高容重法是基于悬顶距等于控顶距这个假设的。

以7340工作面为例，计算支架工作阻力。支护强度：P=K1×m×γ=（4～8）×2.5×24=0.24～0.48 MPa

式中K1为如表1中的中国区域范围内的取值，7340工作面的煤层平均厚度为2.5 m，岩块的体积力根据岩层特性取值。

按照目前支架的最大控顶距（5.5 m）和最大支架宽度（1.82 m）计算，所需的支架阻力为：

实测过程中发现在来压时支架阻力均超过5 000 kN，甚至出现有超过9 000 kN的现象，因此按照4～8倍采高容重法计算的支架阻力相对偏小，其计算方法不能适用于该条件下采煤时支架工作阻力的估算。

3.2 实测统计方法校核支架阻力

通过支架循环末阻力值估算支架工作阻力：

σ—实测的支架循环末阻力均方差，kN。

按两种方式进行统计估算：

（1）按来压期间支架最大循环末阻力进行统计，即式（1）中为来压期间支架最大循环末阻力的平均值，此时，取1倍的均方差，即支架工作阻力的估算方法：

根据以上方法，对7340工作面不同覆岩条件下的支架循环末阻力进行统计。

3.3 综放浮煤开采区域支架阻力校核

在综放浮煤开采区域，实测支架阻力统计结果表明，该区域支架阻力整体偏小，在工作面接近机巷453号钻孔前后50 m范围内，来压时支架阻力明显上升，最大来压阻力达到9 178 kN，为额定阻力的104.30%，在后续开采区域内支架阻力最大达9 774 kN，为额定阻力的111%。按照实测方法统计后测得出，适应该区域开采的支架阻力应为9 200 kN。

在顶板距煤层较近的范围内（10倍采高以内）存有厚硬顶板时，即便在该类岩层已经受到了一次采动的破坏，但是其破断长度大，加之可能处于非咬合稳定状态，在重复采动时，仍会造成顶板的二次扰动和破坏，并且将上覆的岩层载荷以静载的方式向下传递，所以工作面在此类顶板条件下回采时，支架阻力一般偏大。针对7340工作面，虽然其支架阻力已经达到了8 800 kN，仍稍有不足。如果是在动载的情况下，仍然会存在压架危险。

3.3.1 上煤层遗留煤柱区域

由于煤层厚度较大，实际采高随之增大，导致支架阻力不足。对该区域来压相对明显的时刻进行统计，发现在工作面过上层煤遗留的“7”型煤柱区域时，倾向煤柱区域比走向煤柱区域对工作面的影响大，在走向煤柱区域，支架阻力校核结果为7 066 kN，而在倾向煤柱区域，所需支架阻力为7 993 kN。工作面目前采用的8 800 kN支架能够适应遗留煤柱区域的开采。但是，工作面在开采区域内由于煤层采高提高，部分时段支架因高度偏大支护阻力稍有不足，对支架阻力的校核有一定影响。

3.3.2 73煤层已采的复采区域

在该区域内，7340工作面属于顶板完全复采阶段，工作面1-70#均为煤壁均为采空区矸石，仅上部71-110#支架范围对应73煤尚未开采。对该区域来压相对明显的时刻进行统计并分析结果。

可以得出，工作面在73煤已采条件下进行复采，支架阻力一般较小，按照整个来压区间进行统计后得出，在该条件下回采时，所需支架工作阻力为7 954 kN，工作采用的8 800 kN支架能够满足回采要求。

4 总结

（1）7340工作面所采用的ZY8800/14/32型液压支架基本能够适应不同覆岩条件下的工作面安全开采需求。但在顶板存在坚硬厚层砂岩情况下，仍稍有不足。

（2）在7340工作面回采过程中，存在支架阻力超过额定阻力的情况，主要出现在工作面上部范围上煤层顶板存在厚硬砂岩老顶的区域。说明即使在上煤层已经回采后顶板发生破坏的情况下，如果上煤层开采过程中发生过顶板出水或异常剧烈的矿压显现问题，下煤层开采时依然受失稳或破坏顶板结构的影响。