四柱式液壓支架在薄基巖煤層工作面中的適應(yīng)性研究

何善龍 楊積海 桑延慶

（淮浙煤電公司顧北煤礦，安徽 淮南 232151）

1 工程概況

淮浙煤電公司顧北煤礦1512(3)工作面運輸順槽和軌道順槽巷均沿煤層傾向布置。工作面回采上限標(biāo)高為-391m，下限標(biāo)高為-497m，工作面面長195m；煤厚4.3～6.0m；采高2.8～4.5m；傾角3～7°，平均5°。因該礦與其類似條件的工作面1202（3）回采時出現(xiàn)整個工作面壓架現(xiàn)象，為了1512（3）工作面的回采安全，進(jìn)行了該面的支架選型研究并進(jìn)行了適應(yīng)性評價。

2 支架合理選型

2.1 工作面液壓支架工作阻力的數(shù)值計算分析

（1）數(shù)值模型的建立

為了確定工作面支架荷載情況，按工作面鉆孔柱狀及相應(yīng)巖層物理力學(xué)參數(shù)，采用FLAC3D建立模型進(jìn)行模擬，模型長寬均為400m，高180m；工作面采寬定為195m，采高為5m，開挖步距20m，四柱式液壓支架通過梁、殼單元組合形成。具體結(jié)果如下圖1所示。

（2）結(jié)果分析

工作面內(nèi)部液壓支架工作阻力呈脈狀分布，即工作面中上部及中下部出現(xiàn)工作阻力最大值，單根立柱的阻力為2940kN，即整架工作阻力為11760kN，中部及兩端相對較低，工作面中部支架阻力為最大阻力的83.7%，兩端支架阻力為最大阻力的70.1%。具體如圖2所示（推進(jìn)到200m時）。

2.2 工作面液壓支架架型選擇

目前，液壓支架常用種類有支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式。

通過對各類型液壓支架的特點分析及結(jié)合淮南礦業(yè)集團(tuán)提高開采上限綜采工作面開采實踐，建議首采面選用四柱支撐掩護(hù)式液壓支架。

圖1 液壓支架運行狀態(tài)圖

圖2 支架工作阻力圖

（1）液壓支架高度選擇

液壓支架為適應(yīng)煤層厚度變化達(dá)到一次采全高，煤層最大厚度為6.2m，最小厚度為4.3m，平均厚度為5.4m，煤層發(fā)育穩(wěn)定；本工作面回采高度2800～4500mm間變化，為保證工作面初采時的安全，確定液壓支架的最大高度為5.0m，最小高度為2.4m。

（2）工作阻力

液壓支架支護(hù)強度估算 (巖重法)：

按照煤層開采最大厚度進(jìn)行驗算

式中：

N-支架載荷相當(dāng)采高巖重的倍數(shù)。中等穩(wěn)定頂板以下取6～8。

h-采高，取5.4m。

γ-頂板巖石密度，取2.5t/m3。

按1.75m寬支架計算

式中：

KD-動載系數(shù)。取1.25～1.35；

F-支架的支護(hù)面積，取8.58m2（初選值）。

采用FLAC3D建立模型進(jìn)行模擬，結(jié)果如下：

當(dāng)工作面寬度為195m時，液壓支架最大工作阻力為11760kN。

綜上所述，該面選用ZZ13000/24/50型液壓支架。

3 支架適應(yīng)性分析

3.1 觀測方案設(shè)計

工作面采用KJ216/KJ653型煤礦液壓支架監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)測定液壓支架工作阻力。在整個工作面布置13條測線，共裝26個壓力分機，依次分別為1#、3#、5#、10#、15#、20#、25#、30#、35#、40#、45#、50#、55#、60#、65#、70#、75#、80#、85#、90#、95#、100#、105#、110#、111#、113#支 架。 工作面推進(jìn)過程中支架工作阻力值連續(xù)自動記錄在監(jiān)控主機中，其中前后柱壓力每五分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。

3.2 觀測數(shù)據(jù)分析

（1）來壓時工作面液壓支架平均工作阻力

根據(jù)監(jiān)測的工作面礦山壓力顯現(xiàn)特征，將統(tǒng)計數(shù)據(jù)生成如下表1所示。

表1 頂板來壓時工作面各部位液壓支架平均工作阻力變化(kN)

老頂初次來壓：

① 就老頂初次來壓前后支架的工作阻力而言，來壓前液壓支架的平均工作阻力為7150.7kN，來壓時工作阻力為10478.6kN，平均動載系數(shù)為1.38，因此，1512(3)工作面屬初次來壓較為明顯的綜采工作面。

② 初次來壓時，液壓支架工作阻力9206～13016.3kN；55#支架的工作阻力最大，達(dá)到13016.3kN。

老頂周期來壓：

① 就老頂周期來壓前后液壓支架的工作末阻力增加而言，來壓時工作阻力為10478.6kN。

② 來壓前，各部位的靜荷載6565.3～7420.3kN；來壓時液壓支架動荷載9111.3～13016.3kN，來壓前后液壓支架工作阻力分布表現(xiàn)為中間大兩端小。

（2）末阻力

按照作業(yè)規(guī)程規(guī)定，液壓支架安全閥開啟值前柱為42MPa，后柱為38MPa。前柱缸徑320mm，后柱缸徑230mm。1512(3)工作面末阻力統(tǒng)計結(jié)果見表2，液壓支架循環(huán)末阻力分布頻率選第45#支架進(jìn)行分析，如圖3所示。

表2 液壓支架循環(huán)末工作阻力及利用率

圖3 45#支架循環(huán)末阻力統(tǒng)計直方圖

由圖3可知：45#液壓支架的循環(huán)末阻力在區(qū)間8000～12000kN的比例為67.67%，說明末阻力大部分分布在額定值的附近區(qū)間里，說明液壓支架選取較為合適。另外，循環(huán)末阻力小于8000kN的比例為27.04%。總的來說45#液壓支架能夠滿足初次來壓和周期來壓的正常開采時期采場的頂板控制要求，45#液壓支架循環(huán)末阻力發(fā)揮程度較好。

（3）適應(yīng)性分析

1512（3）工作面選用的液壓支架型號為鄭州煤礦機械集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的ZZ130000/24/50型四柱支撐掩護(hù)式液壓支架。由采場礦壓觀測可知：

① 針對薄基巖工作面頂板破碎特性，四柱式液壓支架能夠有效支護(hù)頂板、保護(hù)煤壁，可以防止破碎頂板漏矸、煤壁片幫；回采期間液壓支架后柱平均工作阻力均大于前柱的平均工作阻力，減小了由頂板下沉而產(chǎn)生的作用在煤壁上的壓力，抑制了煤壁發(fā)生片幫的幾率。

② 液壓支架工作阻力13000kN，能夠抵抗工作面初次來壓及周期來壓時頂板對支架的作用力。由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，初次來壓時，支架工作阻力為9206～13016.3kN；周期來壓期間：來壓前支架的平均工作阻力為7150.7kN，來壓時工作阻力為10478.6kN，可見ZZ130000/24/50型四柱支撐掩護(hù)式液壓支架能夠適應(yīng)1512（3）工作面安全開采需求。

4 結(jié)論

（1）通過數(shù)值計算及巖重法綜合確定1512(3)液壓支架工作阻力為13000kN；

（2）來壓時末阻力平均值為10478.6kN，達(dá)到額定工作阻力的80.6%；

（3）四柱式液壓支架能夠有效控制頂板，回采時未發(fā)生漏頂現(xiàn)象，因此綜合得知ZZ130000/24/50型四柱支撐掩護(hù)式液壓支架能夠適應(yīng)1512(3)工作面安全開采需求。