8602 綜采工作面液壓支架選型與應用效果分析

劉 飛 梁繼強

（大同市青磁窯煤礦，山西 大同 037007）

1 概況

8602 綜采工作面長度為240 m，基本頂為Ⅱ級細砂巖，厚度為3.54～12.5 m，直接頂為Ⅱ級粉砂巖，厚度為0～3 m；底板巖石類別為Ⅲ級粉砂巖和中砂巖，厚度為8.1～11.9 m。該工作面煤層結構簡單，不含夾矸，結構較穩定。煤層厚度為1.25～2.41 m，平均厚度為1.84 m。工作面平均埋深為500 m。

2 液壓支架選型

2.1 支護高度

液壓支架高度應根據工作面的采高確定，還應該將頂板冒落高度計算在內。結合綜采工作面最大采高Mmax和最小采高Mmin確定支架最大高度Hmax和最小高度Hmin，得出支架高度計算關系式如下：

2 號煤層綜采工作面最大采高Mmax=2.41 m，考慮到頂板為泥巖，容易產生冒落，造成支架接頂不嚴，綜合考慮確定支架最大高度Hmax=2.71 m。選用雙伸縮立柱液壓支架，結合綜采工作面實際確定支架最小支護高度Hmin=1.8 m。

2.2 支護強度

支護強度直接影響放頂煤安全開采，支護強度不足，會造成頂板下沉增加，甚至發生安全事故；支架支護強度過高，雖然能夠有效控制頂板下沉量，但會造成資源浪費。頂板液壓支架支護強度主要與煤層最大高度Mmax、頂板巖石容重γ、巖層碎脹系數k 等參數有關。結合8602 綜采工作面實際情況，確定煤層最大高度Mmax=2.71 m，頂板巖石容重γ=24 kN/m3，巖層碎脹系數k 取1.2。分析得出支架支護強度計算式如下：

式中：K 為備用系數，取值為2。代入各參數，計算得出支架支護強度q=0.65 MPa。

2.3 工作阻力

采用以下兩種方法，并取最大值作為液壓支架額定工作阻力的最小值。

（1）回歸公式法對現場實測數據進行回歸分析，總結得出回歸公式：

式中：Mc為液壓支架上方的頂煤厚度，取1.8 m；H 為煤層埋深，取368 m；f 為煤的硬度系數，取1.53。

P1=1971+2.5H+459f+148/MC=3675 kN

（2）根據液壓支架結構確定，計算公式如下：

式中：q 為支架強度，取0.65 MPa；Bc為控頂距，是頂梁長度和梁端距之和，取4.26 m；L 為液壓支架中心距，取1.5 m；Kc為液壓支架支撐效率，取0.95，計算得出P2=4372 kN。

最終確定液壓支架工作阻力為P=4400 kN。

2.4 液壓支架初撐力計算

采用下列公式計算液壓支架初撐力：

式中：Kd為基本頂失穩系數，取1.1；h 為直接頂垮落充填高度，取14.9 m；γd直接定巖層容重，取35.2 kN/m3；θ 為頂板巖石的破斷角，取69°；BC取值同前。代入數據求得P初=4107 kN。

根據設計要求，液壓支架初撐力最小值應超過工作阻力的80%，P初min=0.8×4400 kN=3520 kN。P初＞P初min，說明液壓支架初撐力滿足設計要求。

2.5 支架布置架數

根據8602 綜采工作面地質條件，綜合分析確定液壓支架中心距為L=1.4 m。支架布置架數計算方法是工作面長度L工與液壓支架中心距L 的比值：

8602 綜采工作面長度L工為240 m，液壓之間中心距L 取1.5 m，計算得出，支架布置架數為160。另外，為了保證工作面上下順槽槽頭在開采過程中的安全，保證設備機頭機尾的安全和維護，需要對工作面與順槽連接的端頭加強支護，每端3架，共6 架。結合上述分析結果，綜采工作面選擇ZY3500/7/16.5D 型雙伸縮立柱液壓支架，可滿足該工作面煤炭安全開采的要求。

3 液壓支架應用效果分析

3.1 支架阻力監測

為了確定ZY3500/7/16.5D 型雙伸縮立柱液壓支架的應用效果，分別在工作面上部、中部和下部布置兩個測點對支架阻力進行監測，測點布置如圖1。

圖1 綜采工作面支架阻力監測測點布置圖

在工作面回采過程中進行了支架阻力監測，記錄數據分析隨工作面回采支架末阻力的變化規律，繪制上部、中部和下部測點支架支護阻力的變化規律。結合監測結果，對每個支架測線上的支護阻力、來壓步距和動載系數進行分析，統計工作面來壓變化規律。

3.2 監測結果分析

監測結果表明，上部、中部和下部支架支護阻力的變化情況相差不大，來壓步距接近，周期來壓次數相同，動載系數均處于1.0～1.2 之間，文章只取中部測點的監測結果作為研究對象，分析液壓支架的應用效果。文章取上部15#測點、中部10#測點和下部12#測點為研究對象，繪制支架支護阻力的變化規律如圖2～圖4，統計監測結果分析基本頂來壓規律見表1～表3。

圖2 15#測點支架阻力變化規律

分析表1 數據和圖2 曲線變化情況，可得出在綜采工作面施工過程中一共發生了5 次周期來壓，來壓步距平均值為18.1 m。來壓期間支架阻力監測最大值為2 653.0 kN，平均值為2 583.0 kN；非來壓期間支架阻力監測最大值為2 396.9 kN，平均值為2 363.8 kN。動載系數最大值為1.11，平均值為1.09。

表1 綜采工作面上部基本頂來壓規律統計

分析圖3 和表2 數據分析可知，在監測期間支架阻力發生了5 次較大的變化，分別對應5 次周期來壓。其中前兩次周期來壓步距較大，后兩次較小，來壓步距間距為18.1 m。來壓期間支架阻力監測最大值為2 738.3 kN，平均值為2 642.1 kN；非來壓期間支架阻力監測最大值為2 439.5 kN，平均值為2 379.5 kN。動載系數最小值為1.05，最大值為1.17，平均值為1.11。

圖3 10#測點支架阻力變化規律

表2 綜采工作面中部基本頂來壓規律統計

分析圖4 和表3 數據分析可知，在監測期間發生了5 次周期來壓，來壓步距間距為18.7 m。來壓期間支架阻力監測最大值為2 849.3 kN，平均值為2 742.7 kN；非來壓期間支架阻力監測最大值為2 432.5 kN，平均值為2 375.8 kN。動載系數最小值為1.07，最大值為1.20，平均值為1.16。

圖4 12#測點支架阻力變化規律

表3 綜采工作面下部基本頂來壓規律統計

綜上所述，結合綜采工作面上部和下部支架阻力監測數據，來壓步距接近，動荷載系數相差較小，其中上部測點支架阻力相對較小，下部支架阻力與中部相近。在來壓期間液壓支架狀態良好，沒有出現壓架事故，工作面頂板也沒有出現大面積片幫，僅在第二次來壓期間出現了局部小面積片幫，絕大多數面積區域頂板穩定性良好。

4 結語

（1）通過計算確定液壓支架高度、中心距、支護強度和支架架數，合理選擇液壓支架型號。

（2）根據液壓支架阻力監測結果，分析支架阻力變化規律和綜采工作面基本頂來壓規律統計結果，得出綜采工作面開采過程中雖然出現了5 次周期來壓，但未出現壓架事故，只有局部頂板出現了片幫現象，頂板整體穩定性良好，說明液壓支架達到了預期的支護效果。