堅硬頂板綜采工作面支架選型及應用分析

張志群 周松江 原學新

（山西煤銷集團神農(nóng)煤業(yè)有限公司，山西 高平 048402）

液壓支架是工作面的主要支護設備，保證采面作業(yè)空間頂板安全。在礦井開采前需結(jié)合礦井煤層條件、設計采煤方法等選擇合適的液壓支架，以實現(xiàn)工作面安全開采[1-2]。本文以神農(nóng)煤業(yè)開采地質(zhì)條件為基礎，對15 號煤層工作面液壓支架選型進行了分析，并進行了現(xiàn)場礦壓觀測。

1 工程概況

神農(nóng)煤業(yè)為山西煤炭運銷集團資源整合礦井，批準開采3-15 號煤層，生產(chǎn)能力為0.6Mt/a。其中3 號煤層資源已基本枯竭，只剩井田東北角未采；9 號和14 號煤均為局部可采；15 號煤全區(qū)穩(wěn)定可采。礦井初期開采15 號煤層，礦井設計可采儲量16810kt，服務年限20a，工作面采用一次采全高開采。14 號煤層厚0～1.10m，上距K2 石灰?guī)r平均0.51m，下距15 號煤層平均1.03m，煤層平均厚0.81m。15 號煤層厚1.9～5.1m，埋深在50～200m 之間。偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚0.2～0.5m，隨采隨落；直接頂為砂質(zhì)泥巖，最大厚度5.13m，抗壓強度43.4MPa；老頂為深灰色K2 石灰?guī)r，厚7.51m，抗壓強度35.9MPa，單向抗拉強度4.00MPa，巖石堅硬；直接底板為含鋁泥巖，抗壓強度2.2MPa；再下為鋁質(zhì)泥巖、石灰?guī)r，鋁質(zhì)泥巖抗壓強度8.3MPa。

2 液壓支架選型

2.1 支架強度確定

采用“傳遞巖梁”理論建立支架與圍巖關系力學模型，對液壓支架支護強度進行計算。由于煤層厚度起伏變化，為保證支架支護強度滿足實際需要，15 號煤層取最大厚度為5.1m，直接頂厚度為5.13m，基本頂為石灰?guī)r，厚7.51m。

（1）支架對直接頂阻抗計算

支架對直接頂?shù)淖杩褂嬎愎饺缦拢?/p>

式中：

Mz-直接頂厚度，取5.13m；

γz-直接頂砂質(zhì)泥巖容重，取2.7t/m3；

l-支架合力作用點距煤壁的距離，取值3.66m；

Lk-支架控頂距離，為支架頂梁長度和梁端距之和，取4.146m；

Ls-直接頂懸頂距，直接頂為砂質(zhì)泥巖，層理較發(fā)育，屬于較易冒落頂板，取1m。

由上式計算可得支架對直接頂?shù)淖杩篂?.1209MPa。

（2）支架對基本頂阻抗計算

在給定變形條件下，支架對基本頂?shù)淖杩沽τ嬎愎饺缦拢?/p>

式中：

ME-巖梁厚度，取最大值9.00m；

CE-周期來壓巖梁斷裂步距，取25m；

KT-巖梁重量比例系數(shù)，取1.8；

ΔhT-要求采場控制的下沉量，給定形條件下ΔhA=ΔhT；ΔhA為采場支架在給定變形條件下的采場頂板下沉量。

采用給定變形進行計算，可將式（2）化簡為下式：

由此可計算得到支架對基本頂?shù)淖杩篂?.8142MPa。

根據(jù)液壓支架對直接頂和基本頂?shù)淖杩?，按?.9 的支護效率計算，可得到工作面頂板所需的最小支護強度為1.039MPa。

2.2 支架工作阻力確定

支架的工作阻力計算公式如下：

式中：

P-支架工作阻力，kN；

Lk-梁端距，0.546m；

LD-頂梁長度，3.6m；

B-支架寬度，1.5m。

由支架支護強度為1.039MPa，可計算得到支架工作阻力為6461kN。

2.3 支架工作阻力驗算

根據(jù)多位學者以及礦井實踐經(jīng)驗，從支架承受的頂板載荷與采高近似成直線關系的觀點出發(fā)，按支架承受的載荷為工作面最大采高的6～8 倍巖重進行估算支架工作阻力[3-4]。根據(jù)本礦井地質(zhì)條件和煤層賦存狀況，設計按8 倍的巖重進行估算，頂板巖石容重取2.5t/m3，支護面積取6.75m2，由此計算得到支架工作阻力為7017kN。

2.4 支架高度確定

支架的高度與工作面采高息息相關，在保證工作面最大和最小采高的基礎上還應考慮一定的頂板冒落高度。另外，在選擇液壓支架的最大和最小高度時，盡可能地考慮保持工作面煤層實際開采厚度范圍與支架最佳工作高度范圍一致。確定支架最小高度還應考慮礦井井下支架運輸工具和輔助運輸巷道斷面的高度。根據(jù)15 號煤層厚度和偽頂厚度，可計算得到液壓支架的支護高度在1.7～5.3m 之間，支架高度變化范圍較大。從礦井地質(zhì)鉆孔分析可知，礦井87.8%的范圍內(nèi)，15 號煤層整體煤層在2.51～4.2m。因此，綜合確定，液壓支架支護高度在2.31～4.5m，采用四柱式液壓支架，中心距為1.5m。

2.5 支架型號確定

根據(jù)上述計算可知，工作面液壓支架支護強度不小于1.039MPa，工作阻力應不小于7017kN。為充分保證支架使用過程中的安全可靠，需考慮支架支護效率和不確定因素，支架選型時必須保留一定的安全系數(shù)，保證支架阻力足夠。因此，必須在最小支護強度和工作阻力的基礎上有一定的提高，故以此確定工作面支架工作阻力為8000kN。結(jié)合15號煤層厚度、采煤方法以及支架高度，綜合確定工作面采用ZZ8000/23/47 型四柱支撐掩護式液壓支架（支架基本參數(shù)見表1）、ZZG8000/23/47型過渡支架、ZCZ11700/24/45 型端頭支架和ZTC15600/24/45 型超前液壓支架，可滿足礦井絕大部分區(qū)域15 號煤層開采需要。

表1 支架基本參數(shù)

3 礦壓觀測分析

3.1 初采來壓分析

由于15 號煤頂板為K2 石灰?guī)r頂板，其為堅硬厚層頂板，為降低工作面來壓強度，15 號煤首采工作面初采期間采用了爆破放頂技術，有效弱化了工作面頂板。首采工作面平均采高為3.9m，工作面回采過后，直接頂能夠隨著工作面推進順序垮落。在工作面機頭推進26.4m，機尾推進至25.2m 時，工作面支架壓力出現(xiàn)增大，并出現(xiàn)局部片幫現(xiàn)象；在工作面推進至28.2m，機尾推進至27.6m 時，支架阻力出現(xiàn)降低，基本頂垮落結(jié)束。工作面整個初次來壓期間工作面支架壓力較為平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)驟增和驟降現(xiàn)象。計算分析，工作面初次來壓步距為26.6m，支架最大工作阻力為4519kN，最大工作阻力僅為支架額定工作阻力的56.5%。其主要原因在于首采工作面煤層厚度相比理論計算減小了1.2m，且工作面初采期間采取了爆破法處理頂板，有效降低了工作面初采來壓步距，來壓強度明顯降低。

3.2 周期來壓分析

對工作面正?；夭蛇^程中支架壓力進行統(tǒng)計分析可知，工作面周期來壓步距在16.7 ～22.8m之間，平均19.6m，工作面支架最大工作阻力為4318kN，平均為4186kN，工作面支架動載系數(shù)平均為1.35kN?？梢娝x支架工作阻力完全能夠滿足安全生產(chǎn)需要。

3.3 工作面“見方”位置礦山壓力特征

在工作面推進長度與工作面傾斜長度接近時，即為工作面“見方”位置。該處工作面支架壓力明顯增大，礦壓顯現(xiàn)強烈，支架壓力最大值為5689kN，為額定工作阻力的71.1%，且工作面出現(xiàn)明顯的片幫現(xiàn)象，最大深度為500mm，垂高達到1200mm。但是工作面支架壓力仍然能夠滿足需要，且有很大的富余量。工作面片幫較大主要原因在于工作面前期礦壓顯現(xiàn)不強烈，生產(chǎn)科和隊組放松了對支架初撐力的管理。

4 結(jié)語

液壓支架為綜采工作面最重要的機電設備，選擇合適的液壓支架是保證工作面安全高效生產(chǎn)的基礎。采用“傳遞巖梁”理論計算工作面液壓支架支護強度，并由此計算支架工作阻力，進行支架支護強度驗算。結(jié)合礦井煤層賦存情況、開采方法等多種因素，綜合確定神農(nóng)煤業(yè)15 號煤層液壓支架型號參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場礦壓觀測，對工作面初次來壓、周期來壓和“見方”位置的支架壓力進行了分析，液壓支架額定工作阻力能夠滿足安全生產(chǎn)需要。