ZF15000/27.5/42型液壓支架支護強度的分析★

邢玉龍

（晉能控股煤業集團物流有限公司，山西 大同 037000）

1 立項背景

國內許多煤礦面臨著特厚煤層開采問題，應用現有液壓支架無法解決此類煤層開采問題。井工開采煤層厚度在10 m以上的煤層稱為特厚煤層。為了保證開采時的安全問題，必須考慮液壓支架的支護強度，同時才可實現高產能目標。

2 支架支護強度的確定

要想解決好控制工作面頂板問題，同時也要保證采煤回采工藝的現實要求，必須確定液壓支架支護的強度。此項目對煤礦工作面頂板的類型、構造及周圍巖石都有著特定的要求，所以必須考慮頂部煤炭的厚度、硬度，同時也必須考慮頂部煤炭和工作面頂板情況，針對以上問題提出力學方面的計算，得到如下計算結果：

2.1 放頂煤支架工作阻力統計回歸法

通過當地多個煤礦的實測，并結合網上數據的對比進行歸納總結，確定了支架最大載荷Pmax、煤層硬度系數f、采煤深度H以及煤礦頂煤厚度Md，得到確定工作阻力的關系式：

工作面埋深410 m，煤層硬度系數2～4（此處取4），頂煤厚度10 m。

將數據代入式（1），計算得Pmax=4 740.5 kN（對應支護強度約0.63 MPa）。

2.2 依照現在較為常用的巖石容重法

式中：qz為煤礦液壓支架的動載支護強度，kN/m2；Kd為煤礦液壓支架的動載系數，查閱資料取Kd=1.6；M為一次采煤的厚度，查閱資料取M=10.6 m；Kp為頂部矸石掉落碎脹系數，查閱資料取Kp=1.35；γ為煤礦頂板巖石平均容重，查閱資料取γ=26 kN/m3。

將數據代入式（2），計算得qz=1 260 kN/m2。

式中：P為煤礦液壓支架的工作阻力，kN；LK為液壓支架頂梁端距，取0.340 m；LD為液壓支架頂梁長度，取5.315 m；B為液壓支架寬度，取1.75 m。

將數據代入式（3），計算得P=12 469 kN。

2.3 依據頂煤斷裂角確定

式中：H1為巖石層的厚度，m，對煤礦液壓支架有直接影響，H1=（L+h1/tanα）tanθ；L為合理有效控制頂部距離，取5.655 m；h1為煤層頂部厚度，取10.23 m；α為頂部煤層斷裂角，一般為70°～120°，取70°；θ為煤層頂板斷裂角，一般為60°～65°，取60°；γ1為頂部煤炭的容積重量，取14.3 kN/m3；γ2為煤層頂板巖石的容積重量，取26 kN/m3；qz1為液壓支架的承受動載支護強度；k為液壓支架承受動載備用系數，煤層頂部Ⅱ級以上的，一般取1.5～2.0，現取1.5。代入數據計算得qz1=406.818 kN/m2。

式中：P為液壓支架承受的工作阻力，kN；ηs為液壓支架的支護效率75%。代入數據計算得P=5367.96kN。

2.4 煤層頂板結構分析法

煤層頂板結構分析是建立在液壓支架承受工作阻力構成分析基礎上的，此類方法計算是應用煤礦井下工作面的液壓支架頂部所承受的工作阻力及載荷，同時要平衡頂部不穩定時對液壓支架的動態載荷，液壓支架支護強度q計算公式為：

式中：Kd為平衡頂部不穩定時的動載系數，一般取1.1～1.8，由于煤層動載系數較大，為確保安全，取Kd=1.5；qd為頂部自重應力；qc為液壓支架上方頂部煤炭的自重應力。

上式中，qd=Pdgh，qc=Pcgh2。其中：Pd為煤層工作阻力，取2 500 kN；h為巷道煤層高度，，M為一次采出煤層的厚度（根據工作面實際地質情況，取煤層厚度為12 m），C1為直接頂松散系數（取1.3）；Pc為巖石工作阻力，取1 300 kN；h2為巖石層高度，h2=煤層厚度-巖石厚度=12-3.2=8.8 m。

代入數據計算得q=1.34 MPa。

此方法最終確定的支架合理支護強度為1.34 MPa。最終確定的支架支護強度為1.34 MPa。

煤礦液壓支架承受載荷（見圖1）的計算：放頂煤時，煤層放頂煤形成的Q1橢球體空間，同時代替此空間的是Qs區域內松動后膨脹的煤炭巖石，支架頂梁（AB面）直接承受了Q1橢球體空間產生力，同時間接支撐了Qs區域產生的力，從而阻止了橢球體外的煤巖運動，保證了高于松動CD面（橢球體Qs區域上方）的煤炭巖石層暫時性不會發生變化或斷裂，承受了高度為H的煤巖的重量。

圖1 液壓支架承受載荷圖

式中Ks為第二次煤炭巖石松散膨脹系數，Ks=1.3。

如果煤炭和巖石的實體容積重量分別為γ1、γ2，則每平米控制頂部面積的平均載荷為：

將前式代入上式，得：

按照現實存在的問題，頂部壓力不均勻，求出的P2值只是理論數值，所以應乘以系數Ky，Ky一般取1.5～2.0，則支架額定支護強度為：PH=Kyp。

根據現有的煤礦井下工作面數據進行取值，煤炭巖層厚度h'=14.13 m，機械采掘高度h1=3.9 m，則：

取Ky=1.6，則PH=KyP=1.6×348.6≈0.5578MPa。

3 結論

依照計算出的結果，可選ZF15000/27.5/42放頂煤液壓支架解決10 m以上特厚煤層礦井開采工作阻力問題，從而達到很好的支護強度，滿足工作面要求[1-3]。