莒山矿充填工作面支架选型研究

韩康康

（山西兰花集团莒山煤矿有限公司，山西 晋城 048027）

引言

随着煤炭资源的逐年减少，煤矿的可持续发展成为了今后面临的重要问题[1-2]，莒山矿目前所采的3号煤层已面临枯竭，现有的开采条件已经无法满足矿井核定生产能力要求。为提高矿井的生产能力，实现煤炭资源顺利接续开采和矿井可持续发展，对3号煤层下部的9号煤层进行充填开采。根据实际情况可选用带前移机构的支架予以支护，在架后膏体凝固时间内尽量不影响前方采煤，以提高采煤效率。通过对开采空间进行高密度全部充填，避免了采空区顶底板垮塌，浆料跟矸石在地面混合搅拌后经工业充填泵经斜井或钻孔下井，通过管道输送至井下工作面上方充填至采空区，实现了对地表及建构筑物等进行保护的目标。本文根据9号煤层的地质条件和开采条件，对工作面充填支架进行了研究。

1 支架支护高度分析

根据矿井地质报告描述，9号煤层位于太原组三段下部，厚0.37（莒8）～1.55 m（莒补2），平均厚度为1.24 m，井田西南部煤层厚度最大，西北部煤层厚度最小。9号煤层结构简单，含0～2层矸石。该煤层可采区范围约占井田面积的2/3以上，其可采性指数Km=0.91，井田内西北部小部分不可采，为稳定的大部可采煤层。

根据地质资料显示，位于井田西北边界的极小部分区域煤层厚度低于0.5 m，井田中部绝大多数区域煤层厚度在1.00~1.55 m之间，平均厚度为1.24 m。由于厚度低于0.5 m的区域较小且位于井田边界，因此本次在确定煤层采高范围时不考虑该区域范围。

综合分析地质报告、钻孔资料及煤层等厚线图，确定9号煤层采高为：工作面最大采高Mmax＝1.55 m；工作面最小采高Mmin＝1.25 m；工作面平均采高M＝1.40 m。

为实现安全、有效的支护，充填工作面支架的支护范围应该与工作面采高相适应，其中最大支护高度应高于工作面最大采高高度200 mm以上；支架最小支护高度应低于工作面采高200 mm以上。根据实际情况，工作面最大采高为1.55 m，最小采高为1.25 m，支架立柱采用单伸缩结构，再结合煤层赋存特点进行综合考虑，确定支架最大支护高度为2.1 m，最小支护高度为0.9 m。

2 支护强度分析

根据《矿井地质报告》描述：9号煤层结构简单，含0～2层矸石。该煤层可采区范围约占井田面积的2/3以上，其可采性指数Km=0.91，井田内西北部小部分不可采，为稳定的大部可采煤层。

充填工作面支架的支护强度计算方式如下式所示[3]：

式中：P为支护强度，MPa；K2为应力集中系数，取2；γ为顶板岩层的容重，取25 kN/m3；k为顶板岩层垮落后的碎胀系数，考虑到9号煤层上覆3号煤层已经回采，且趋于稳定，k取1.21；M为支架支撑高度，取工作面采高的最大值，为1.55 m；K1为安全系数，由于9号煤层上覆3号煤层已经采出，下位9号煤层会受到重复采动的影响，这里安全系数取K1=1.2。

将各参数代入式中得出P=443 kPa。通过计算可知，充填工作面支架的支护强度不低于443 kPa。

3 支架选型

综合上述计算结果，9号煤层充填工作面液压支架的支护强度应该不小于443 kPa，考虑到支架结构件、安全阀性能、支护方式以及开采工艺等因素，同时考虑9号煤层上方的3号煤层采空区集中应力的影响，综合分析确定支架的型号及主要参数如下页表1所示。

表1 工作面支架型号及主要参数

4 结语

9号煤层位于3号煤层下方，平均距离为54.62 m，目前3号煤层基本开采完毕，已进入大巷煤柱的回收及原上分层刀柱式炮采采煤方法下弃置煤体的复采回收工作中，在3号煤层采空区内所遗留的煤柱承载着较大的集中应力，下覆9号煤层工作面在进出3号煤层遗留煤柱时，工作面支架所受应力会大幅增大。为保证安全生产，在开采过程遇到上述情况时应确保支架具有足够的初撑力（支架初撑力不低于额定初撑力的90%）和工作阻力，同时要加强工作面管理，出现顶板破碎等情况时要及时支护，避免出现大范围煤壁片帮和顶板冒落。