大傾角綜放工作面液壓支架選型與適用性研究

郝兵兵

(西山煤電集團公司， 山西 太原 030053)

1 礦井概況

西山煤電集團公司馬蘭礦位于山西省古交市西南15 km，礦區南北長約6.9 km，東西寬約8.5 km，礦井面積約96.8 km2，設計生產能力400萬t/a. 礦井開采采用斜井立井綜合開拓、走向長壁后退式一次采全高全部垮落法的綜合機械化采煤方法。礦井地質構造簡單，大部分煤層開采屬于緩傾斜或近水平開采，煤層厚度變化不大，頂板管理簡單，液壓支架選型比較容易，不同采區每層開采液壓支架的選型可利用原有支架的選型經驗。

馬蘭礦12503綜采工作面正常推進530 m時，礦壓顯現現象比較明顯，煤壁剪切破壞現象增多，液壓支架明顯已不適合目前的開采狀況。根據地質勘查報告可知，工作面繼續向前推進時有一比較發育的褶皺，導致每層開采的傾角發生很大變化。為保證工作面順利推進通過特殊的地質構造，必須對液壓支架重新進行研究，選擇適用于該地質條件的支護體系。

本文采用理論計算與數值分析相結合的方法，對工作面遇到特殊地質構造條件每層傾角發生大的變化時工作面液壓支架的選型進行研究，且通過在線監測的方法，對液壓支架的適用性進行分析，保證液壓支架的選型合理、安全。

2 礦井煤巖層地質力學性質

馬蘭礦煤巖層共有9層，其中，12503綜采工作面開采厚度平均為3.6 m，遇到褶皺時煤層傾角可達55°. 煤巖層力學性質見表1.

表1 煤巖層力學性質表

3 液壓支架選型

3.1 支護強度計算

3.1.1理論計算法

液壓支架的支護強度計算應根據支架工作阻力進行，對于大傾角煤層工作面開采時支架的支護強度采用如下經驗公式進行計算：

Pt=9.81hρ/k

式中：

Pt—工作面合理的支護強度，kN/m2；

h—放頂煤開采時放頂高度，m，取13.4；

ρ—頂板平均密度，kg/m3，經計算，取1 490；

k—工作面上覆巖層的采厚比，大傾角開采時可取1/3～1/2.

帶入數據，經計算可知，工作面液壓支架的支護強度為0.6 MPa.

3.1.2模擬試驗

根據馬蘭礦12503綜采工作面的地質條件，建立FLAC 3D數值模擬彈性模型，利用庫倫摩爾準則，模擬開挖過程的應力、應變的變化，得出該模型下應力的變化規律，結合此規律，模擬不同支護強度下頂板的位移變化，得出最優的支護強度。

FLAC 3D數值模型參照表1，建立長800 mm×寬500 mm×高1 000 mm的模型，對綜放工作面開挖過程中應力分布規律，以及采取不同支護強度下頂板位移的變化情況進行研究，模型及應力變化見圖1.

圖1 數值模擬模型圖

由圖1可知，模型開挖過程中應力的分布為自上而下遞增。液壓支架的支護強度對頂板下沉量的影響也呈線性關系，見圖2.

圖2 控頂區支架支護強度與頂板下沉量的關系圖

圖2中，s為支架到綜放工作面的距離，當支架的支護強度為0.7 MPa時，為保證工作面頂板實現有效控制又滿足開采工藝的技術要求，在距離工作面不同距離處，選擇支護強度為0.7 MPa的支架為12503綜采工作面最合理的支架。

3.2 支架初撐力選擇

支架若要較快發揮支撐作用，對頂板下沉量有明顯的控制，必須設置合理的初撐力，這樣有利于支架承受頂板來壓，防止煤巖層的離層，避免早期頂板下沉量較大，下沉速度較快。

支架初撐力F的計算可根據下式：

式中：

Lα—支架寬度，m，取1.35；

γ0—煤層平均密度，kg/m3，取1 400；

h—頂煤厚度，m，取13.4；

h1—直接頂厚度，m，取8；

γ—巖石密度，kg/m3,取1.54.

經計算可知，初撐力F為3 801 kN.

3.3 支架技術參數選擇

根據馬蘭礦的實際地質條件，結合相關技術參數，12503綜采工作面中部選用平頂山煤礦機械有限責任公司設計的ZF3800/17/28型支撐掩護式液壓支架，支架高度為1.6～3.6 m可調，架體整體性較好，抗扭能力強，支架連桿間距為1.25 m，支護、推移、架設方便，人行通道比較寬敞，工作阻力為3 820 kN，支護強度為0.74 MPa，支架前端的伸縮梁長度達到0.7 m，可及時對暴露的頂板進行支護，減少了頂板直接暴露的時間，安全性較高。液壓支架其他參數見表2.

表2 ZF3800/17/28型液壓支架其他技術參數表

4 液壓支架選型考慮的影響因素

液壓支架的架型選擇雖取決于工作面頂板條件，還需根據馬蘭礦實際水文地質條件結合支架特性合理選型。

1) 煤層厚度。礦井煤層賦存厚度對支架的構造、伸縮比及支護強度造成影響。煤層厚度超過2.5 m,頂板有側向推力或水平推力時，應選擇抗扭能力強的支架,不宜選用支撐式支架。煤層厚度達到2.8 m以上，有片幫現象發生時，應選擇帶有護幫裝置的支撐掩護式支架。

2) 煤層傾角。煤層傾角的大小對支架的穩定性造成直接影響。煤層傾角≤15°時應帶有防滑裝置；煤層傾角≥18°應同時帶有防滑、防倒和調架裝置。

3) 底板強度。支架選型時還應結合工作面底板抗壓強度選型。根據支架底座構造、合力作用點位置和支架對底板的比壓分布進行選定。

4) 瓦斯含量。對于瓦斯涌出量大的礦井，支架選型時應優先選型通風斷面大的支撐掩護式液壓支架，保證礦井的通風需求。

5) 設備技術參數的匹配。綜采工作面液壓支架的選型還應與采煤機、刮板輸送機等設備的技術參數相互匹配。

5 適用性研究

馬蘭礦采用KJ21礦壓動態監測系統對12503綜采工作面的礦壓進行實時監測，采煤工作面推進470～540 m時，對液壓支架的工作阻力進行測量，并且繪制頻率分布直方圖，可得出支架工作阻力的分布呈正態分布形式，為比較合理的狀態，工作阻力分布圖見圖3.

圖3 支架工作阻力頻率分布直方圖

對正常回采時煤壁前方塑性區分布進行分析可知，在0.74 MPa的支護強度下，煤壁前方塑性分布較合理，證明選擇的支架支護強度可滿足本工作面繼續開始的使用要求，工作面煤壁前方塑性分布圖見圖4.

圖4 煤壁前方塑性區分布圖

6 結 論

通過理論計算和數值模擬對液壓支架的支護強度進行分析，確定0.7 MPa左右的液壓支架支護強度比較合理，并根據地質條件及煤層物理性質，選擇了適用于12503綜采工作面的液壓支架。經現場驗證，選擇ZF3800/17/28型液壓支架時支架工作阻力分布合理，煤壁前方塑性分布合理，有利于安全、高效、經濟生產。12503綜采工作面回采期間未發生液壓支架歪倒、擠架、咬架等問題,支護效果良好,有效預防了片幫冒頂的發生,礦井的單產水平和開采效率顯著提升。該工作面的成功開采為大傾角大采高綜采放頂煤開采技術提供了實踐經驗和技術保障。