西細莊礦一號煤架型選擇

摘 要：西細莊礦首次在三軟煤層1123工作面使用整體組合懸移支架開采獲得成功，通過礦壓觀測掌握了該工作面礦壓顯現規律。為今后在蔚州礦區三軟煤層開采地架型選擇創出一條新路。

關鍵詞：三軟煤層；整體頂梁；懸移支架

1 概述

西細莊礦2005年9月開始使用XDY-1TY/JK/D/120JZ懸移支架配采煤機開采5號煤層。5號煤的大規模回采已經于2010年9月份結束，剩余儲量集中在1號煤層。該區域巷道圍巖裂隙松軟發育，均發生過不同程度的底臌、兩幫收斂現象，屬于三軟煤層。2011年西細莊礦在一號煤1104、1106、1108工作面使用原5號煤的懸移支架進行了回采，由于1108機采工作面頂板破碎和底軟造成支柱鉆底現象，支架不能達到工作阻力要求，致使頂板提前在煤壁前方斷裂，在工作面推進到220米時，工作面被迫變短，推進到360米（距停采線50米）時工作面支柱鉆底量達900mm，支架工作阻力不能滿足需要被迫提前撤面。采用耙礦車柱式采煤。

針對上述現象，西細莊礦會同山東科技大學，采用現場調研、理論分析與數值模擬相結合的方法，對三軟煤層頂、底板控制和支架受力狀態進行了分析研究，最終確定使用ZH2600/20/28ZL整體組合懸移支架配整體柱鞋開采。

2 地質條件

煤層賦存條件及構造：

1號煤：含夾矸1～4層，夾矸石厚度0.03～0.67m，平均厚度0.33m，矸石巖性多為炭質泥巖。煤層偽頂以泥巖、炭質泥巖為主，屬煤與泥巖互層的復合頂板，平均厚度0.5m。直接頂多為粉砂巖，平均厚度為5.92m，基本頂為細砂巖，平均厚度7.82米；直接底多為炭質泥巖，平均厚度1.02m。老底以鮞狀泥巖為主，亦見粉砂巖，平均厚度3.50m。應用x射線衍射分析法，對巖樣礦物成分進行測試。結果是石英含量為24.4%；高嶺石含量為30.6%；多水高嶺石含量為45.0%。巖樣分析表明，1號煤底板巖石以泥巖為主，高嶺石及多水高嶺石含量較高，巷道底板巖層易泥化、軟化，出現底臌。

3 1104、1106、1108采煤工作面回采不成功的原因分析

3.1 以前采用的的縣移支架的頂板覆蓋率偏低

我礦以前采用XDY-1TY/JK/D/120JZ支架，主、副梁總寬度為560mm，架間距為1米，頂板覆蓋率只達到了56%，而我礦一號煤頂板屬不穩定頂板，要求覆蓋率應達到85%以上，原懸移支架頂板覆蓋率遠遠達不到要求，從而造成工作面漏頂、冒頂。

3.2 支架本身穩定性差

XDY-1TY/JK/D/120JZ懸移支架的四根支柱沒有平穩的底座，支架本身不具有穩定性，一旦初撐力達不到要求，出現漏頂，很容易造成支架失穩，倒架，從而造成大面積的冒頂。

3.3 控底不成功

由于此支架沒有底座，與底板接觸的面積小，該支架達到工作阻力16600KN時，對底板壓力為35.38PMa，一號煤煤層底板的比壓只有6.25PMa，煤層的比壓在7.6PMa，遠遠不能滿足要求，造成支柱鉆底，不能提供足夠的支撐強度。

3.4 管理

區隊管理人員在工程質量管理方面稍顯不足，但不是主要原因，因為管理因素彌補不了設備存在的重大缺陷。

4 支架選型

液壓支架是機械化采煤工作面的主要裝備之一，它與采煤機、刮板輸送機配套使用，起著管理頂板隔離圍巖，維護作業空間，與刮板輸送機配套能自行前移，推進采煤工作面連續作業。結合工作面地質構造，選用合理的回采工藝，裝備可靠、先進的液壓支架，可有效地提高工效、增加產量、降低成本、減少損耗。在改善工作面勞動條件、有效地保護采煤工作設備和人身安全的同時，可獲得很高的經濟效益。

4.1 支架支護強度計算

支架工作阻力的確定按給定變形和限定變形兩種方法進行考慮。

4.1.1 給定變形工作方案

支架只對直接頂進行控制，老頂巖梁來壓時，支架在“給定變形”條件下工作時的采場頂板下沉量（？駐hT）由巖梁自由沉降至老塘端裂斷處觸矸的位置狀態所確定即：？駐hT=？駐hA

支架在“給定變形”條件下工作時的阻抗能力（PT），可以在下列兩個極限值間任意選擇。其中：支架在“給定變形”條件下工作的上限值，不能超過直接頂作用力（A）和巖梁下沉到觸矸時給支架作用力（KA）之和，即： PTmax=A+KA

4.1.2 限定變形工作方案

支架在“限定變形”條件下工作時，要求控制的采場頂板下沉量（？駐hT）將小于巖梁裂斷處能矸時的采場頂板下沉量（？駐hA），即：？駐hT<？駐hA

“限定變形”條件下支架必須的阻抗能力（PT）值，針對已知巖梁結構參數的差異分別可由下列“位態方程”表達。包括兩種形式。

根據巖梁厚度和運動步距建立位態方程

支架工作阻力RT=PT*S=0.5*3.5*1000=1750KN

式中：Mz-直接頂厚度，取5.92米

ME-基本頂厚度，取7.82米；LE-工作面初次來壓步距，取25米；L-工作面周期來壓步距，取10米；lK-工作面平均控頂距，取3.6米；KT-為考慮支架承載巖梁重量的比例系數，初次來壓時取4；？酌-頂板容重，取2.5KN/米3；S-支架的支護面積。

4.2 支架調高范圍及伸縮比

支架最大結構高度和最小結構高度分別為：

Hmax=Mmax+S1=2.4+0.4=2.8

Hmin=Mmax-S2=2.2-0.2=2.0

式中：

Hmax-支架最大結構高度，m；Hmin-支架最小結構高度，m；Mmax-煤層最大采高，m，取2.4；Mmin-煤層最小采高，m，取2.2；S1-偽頂冒落的最大高度，m，取0.4；S2-頂板周期來壓時支架最大下沉量，移架高度之和，m，取0.2。

支架伸縮比反映支架對煤層厚度變化的適應能力，其值為：

式中：KS-支架伸縮比。KS小于1.6可采用單伸縮支柱。

4.3 頂板覆蓋率

支架覆蓋率是頂梁與接觸頂板面積與支架支護面積之比值，即：

式中：

δ-覆蓋率，%；B-支架寬度，m，取0.96；K-支架間隙，m，取0.04；L-支架長度，m，取3.4；C-梁端距，m，取0.3。

覆蓋率的大小與頂板性質有關。對于不穩定巖層δ小于于85-95%，小等穩定巖層δ不小于75-85%，穩定頂板不小于60-70%，否則會引起冒頂。我礦一號煤頂板為不穩定巖層，δ值不應小于85%，所選支架的δ值為88%。

根據以上計算，本區域所選支架的技術參數應滿足：工作阻力不小于1750KN；支架高度：最大2.8米，最小2.0米，伸縮比1.4；頂覆蓋率不小于85%。結合我礦實際生產規模，選用ZH2600-20/28組合頂梁懸移液壓支架。

4.4 ZH2600-20/28組合懸移液壓支架主要技術參數

支架型式： 四柱支撐式液壓支架

支護高度： 2000mm～2800mm

額定工作阻力（P=42MPa） 2600 kN

初撐力（P=31.5MPa） 1939kN

初撐力與額定工作阻力的比率75%

平均支護強度 0.76Mpa

支架寬度： 960mm

適用工作面傾角 ≤20°

推移步距 600mm

支架重量 約4.5噸

立柱型式： 單伸縮（四根）

缸徑： 140mm

初撐力： （P=31.5Mpa）1939kN

工作阻力： （P=42Mpa）2600kN

5 三機配套示意圖

6 底板控制方案

在松軟及較松軟底板條件下，單體支柱鉆底量過大（支架陷入底板），進而引起底板破碎加劇，是導致頂板冒落、影響生產的重要原因。采場底板巖體，特別是松軟底板巖體的控制是當前煤炭生產中的一項重大課題。

經我礦工程技術人員在1108工作面和1123工作面進行底板比壓測試，本區域內底板比壓為6.25MPa，鑒于1104、1106及1108回采不成功的教支架達到工作阻力時，支架不會鉆底，從而保障支架的有效的支撐力。

7 ZH2600-20/28組合頂梁懸移液壓支架的使用效果

7.1 技術效果

組合懸移液壓支架以單體液壓支柱作為基本支柱配以頂梁及液壓系統實現對頂板的支護，共各排支柱被頂梁及整體箱式結構底鞋連成整體后實現對頂板的支護，增強了支柱的穩定性和安全性。

組合懸移液壓支架采用整體移架支護方式，使工作面支護強度均勻；原懸移支架，經過主、副架卸載前移，主、副架支柱阻力差別較大。由此可見，組合懸液壓支架比原懸移支架有利于頂板的維護。

由于組合懸移液壓支架的抽出式前探梁能在割煤后及時伸出維護裸露的端面頂板，割煤后支架半卸載及時前移，保證機道上方的端面頂板具有較大的支護強度，從而有利于端面頂板的維護。

與原懸移支架相比，滑（懸）移支架基本免支了人工支、回戧柱，采用集中控制，提高了自動化水平，改善了勞動條件，實現了支護放頂機械化，安全狀況好、勞動效率高。

工作面所有支架通過托梁連為一個整體，增加了支架的穩定性，克服了原懸移支架容易倒架的缺點。

頂板覆蓋率達到了88%，更適合不穩定巖層，最大程度的避免了工作面漏頂、冒頂。

7.2 經濟效果

采用新支架后工作面移人員由20人減為10人，按每年人工工資4萬元核算，每年節省人工費用40萬元。

采用新支架后，至今未發生頂板事故，保障了礦井的穩產、高產，從1123工作面采用新支架截止到2013年12月底，共采出原煤67萬噸，按每噸50元效益核算，創經濟效益3350萬元。

8 改進方向

目前工作面的尾巷和超前支護還沒有全部取消單體液壓支柱，存在一定的安全隱患，實現尾巷支護和超前支護的集中控制是今后我們努力和研究的方向。

作者簡介：劉秉明（1963-），男，采煤工程師，2010年畢業于中國礦業大學采礦工程，現任西細莊礦礦長。