大傾角煤層綜采液壓支架選型研究

劉彥君

（西山煤電（集團(tuán)）山西支護(hù)器材開發(fā)有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

1 礦井概況

西銘礦地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，多數(shù)煤層開采屬于緩傾斜或近水平開采，煤層厚度變化不大，頂板管理較簡(jiǎn)單，液壓支架選型比較容易，不同采區(qū)煤層開采液壓支架的選型可利用原有支架的選型經(jīng)驗(yàn)。

該礦29203工作面正常推進(jìn)390 m時(shí)，礦壓顯現(xiàn)比較明顯，煤壁剪切破壞現(xiàn)象增多，液壓支架明顯已不適用目前的開采狀況。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告可知，工作面繼續(xù)向前推進(jìn)時(shí)有一比較發(fā)育的褶皺，導(dǎo)致煤層開采的傾角發(fā)生很大變化。為保證工作面順利推進(jìn)通過特殊的地質(zhì)構(gòu)造，必須對(duì)液壓支架重新進(jìn)行研究，選擇適用于該地質(zhì)條件的支護(hù)體系。

本文采用理論計(jì)算加數(shù)值分析相結(jié)合的方法，對(duì)工作面遇到特殊地質(zhì)構(gòu)造條件煤層傾角發(fā)生大的變化時(shí)工作面液壓支架的選型進(jìn)行研究，且通過在線監(jiān)測(cè)的方法，對(duì)液壓支架的適用性進(jìn)行分析，保證液壓支架的選型合理、安全。

2 煤巖層地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)

該礦煤巖層共有9層，其中，29203工作面開采厚度平均為3.6 m，遇到褶皺時(shí)煤層傾角可達(dá)55°。煤巖層力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

3 液壓支架選型

3.1 支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算

3.1.1 理論計(jì)算

液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)支架工作阻力進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于大傾角煤層工作面開采時(shí)支架的支護(hù)強(qiáng)度采用如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

Pt-工作面合理的支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；

h-放頂煤開采時(shí)放頂高度，此處取13.4 m；

ρ-頂板平均密度，取值1490 kg/m3。

k-工作面上覆巖層的采厚比，大傾角開采時(shí)可取 1/3～1/2。

帶入數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算可知工作面液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度為0.6 MPa。

表1 煤巖層力學(xué)性質(zhì)

3.1.2 相似模擬試驗(yàn)法

根據(jù)29203工作面的地質(zhì)條件，建立FLAC3D數(shù)值模擬彈性模型，利用庫倫摩爾準(zhǔn)則，模擬開挖過程的應(yīng)力、應(yīng)變的變化，從而得出該模型下應(yīng)力的變化規(guī)律，結(jié)合此規(guī)律，模擬不同支護(hù)強(qiáng)度下頂板位移的變化，進(jìn)而得出最優(yōu)的支護(hù)強(qiáng)度。

FLAC3D數(shù)值模型參照表1的煤巖層力學(xué)性質(zhì)表，建立長(zhǎng)×寬×高=800×500×1000m的模型，對(duì)綜放工作面開挖過程中應(yīng)力分布規(guī)律，以及采取不同支護(hù)強(qiáng)度下頂板位移的變化情況進(jìn)行研究，模型及應(yīng)力變化如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬模型

由圖1可知，模型開挖過程中應(yīng)力的分布為自上而下遞增。液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度對(duì)頂板下沉量的影響也呈線性關(guān)系，支架的支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量的關(guān)系如圖2所示。

圖2 控頂區(qū)支架支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量的關(guān)系

圖2 中，s為支架到綜放工作面的距離，當(dāng)支架的支護(hù)強(qiáng)度為0.7 MPa時(shí)，為控制頂板下沉量最經(jīng)濟(jì)與最合理的節(jié)點(diǎn)，所以在距離工作面不同距離處，選擇支護(hù)強(qiáng)度為0.7 MPa的支架為29203工作面最合理的支護(hù)強(qiáng)度。

3.2 支架初撐力選擇

支架如果想較快發(fā)揮支撐作用，對(duì)頂板下沉量有明顯的控制作用，必須設(shè)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，從而避免了早期頂板下沉量較大，下沉速度較快。

支架的初撐力F的計(jì)算可根據(jù)下式：

式中：

Lα-支架寬度，m；

-頂板梁的長(zhǎng)度，m；

-第一分層老頂梁的長(zhǎng)度，m；

γ0-煤層平均密度，kg/m3；

h-頂煤厚度，m；

h1-直接頂厚度，m；

γ-巖石密度，kg/m3。

帶入數(shù)據(jù)，可知初撐力F為3801 kN。

3.3 支架技術(shù)參數(shù)選擇

根據(jù)本礦遇到的實(shí)際地質(zhì)條件，結(jié)合相關(guān)技術(shù)參數(shù)，29203工作面中部選用的液壓支架型號(hào)為ZF3800/17/28，為支撐掩護(hù)式液壓支架，支架高度為1.6～3.6 m可調(diào)，架體整體性較好，抗扭能力強(qiáng)，支架連桿間距為1.25 m，支護(hù)、推移、架設(shè)方便，人行通道比較寬敞，工作阻力為3820 kN，支護(hù)強(qiáng)度為0.74 MPa，支架前端的伸縮梁長(zhǎng)度達(dá)到0.7 m，可及時(shí)對(duì)暴露的頂板進(jìn)行支護(hù)，減少了頂板直接暴露的時(shí)間，安全性較高。液壓支架技術(shù)參數(shù)詳見表2。

4 液壓支架適用性研究

采用KJ21礦壓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)29203工作面的礦壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采煤工作面推進(jìn)470～540 m時(shí)，對(duì)液壓之間的工作阻力進(jìn)行測(cè)量，并且繪制頻率分布直方圖，可形象地得出支架工作阻力的分布呈正態(tài)分布形式，為比較合理的狀態(tài)，如圖3所示為工作阻力分布圖。

表2 ZF3800/17/28型液壓支架其他技術(shù)參數(shù)表

圖3 支架工作阻力頻率分布直方圖

對(duì)正常回采時(shí)煤壁前方塑性區(qū)分布進(jìn)行分析，可知，在0.74 MPa的支護(hù)強(qiáng)度下，煤壁前方塑性分布較合理，證明選擇的支架支護(hù)強(qiáng)度可滿足本工作面繼續(xù)開采的使用要求，如圖4所示為工作面煤壁前方塑性分布圖。

圖4 煤壁前方塑性區(qū)分布圖

5 結(jié)論

通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬對(duì)液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行分析，進(jìn)而確定了0.7 MPa左右的液壓支架支護(hù)強(qiáng)度比較合理，進(jìn)而根據(jù)地質(zhì)條件及煤層物理性質(zhì)，選擇了適用于29203工作面的液壓支架，且經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，選擇ZF3800/17/28型液壓支架時(shí)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(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。