煤礦綜放工作面液壓支架選型技術(shù)的研究

師玉剛

（霍州煤電集團(tuán)安監(jiān)局五人小組，山西 霍州 031400）

1 工作面概況

某礦綜放工作面屬于該礦五采區(qū)第二個工作面，位于+750 水平五采區(qū)三條上山左翼，北部為五采區(qū)邊界，南部為五采區(qū)三條上山，東部為實體煤，西部為正在回采的5-501 工作面。設(shè)計走向長度1 617 m，傾斜長度193 m，煤層厚度6.1 m。

5 號煤層賦存于石炭二疊系山西組，煤層節(jié)理發(fā)育，黑色，玻璃光澤，成分以亮煤為主，暗煤次之，含鏡煤條帶，為簡單結(jié)構(gòu)煤層，半亮煤，煤層中部有一層夾矸，夾矸為炭質(zhì)泥巖，煤層厚度變化不大，屬較穩(wěn)定煤層，夾矸總厚度約為0.8 m，由于泥巖普氏硬度f 為1.41～3.31，對回采影響不大。

2 液壓支架的選型設(shè)計

2.1 架型確定

1）液壓支架的架型選擇要求：支護(hù)強(qiáng)度及工作阻力與工作面地質(zhì)條件相適應(yīng)；主體結(jié)構(gòu)與煤層賦存條件相適應(yīng)；支護(hù)斷面與通風(fēng)要求相適應(yīng)；結(jié)構(gòu)尺寸與運(yùn)輸條件相適應(yīng)。目前用于單一煤層開采的液壓支架主要有四柱支撐掩護(hù)式和兩柱掩護(hù)式兩種形式。

2）架型的選擇主要考慮四個因素：煤層厚度變化、支架搬家運(yùn)輸、支護(hù)性能及其影響、支架操作及其控制。

最終，該工作面選用四柱支撐掩護(hù)式。

2.2 支架支撐高度的確定

支架的最大和最小結(jié)構(gòu)高度必須適應(yīng)煤層采高變化所要求的最大和最小支撐高度。支架的最大和最小支撐高度，應(yīng)根據(jù)煤層厚度的變化合理選擇，支架高度可由公式（1）、公式（2）計算：

式中：Hmax為支架最大結(jié)構(gòu)高度，m；Hmin為支架最小結(jié)構(gòu)高度，m；Mmax為煤層最大采高，取3 m；Mmin為煤層最小采高，取2.8 m；a 為考慮偽頂冒落后，支架仍有可靠初撐力所需要的支撐高度的補(bǔ)償量，取0.3 m；s 為頂板最大下沉量，取0.1 m；b 為支架卸載前移時，立柱伸縮余量，取0.2 m；c 為支架頂梁上存留的浮煤和碎矸厚度，取0.1 m。

代入數(shù)值計算得Hmax≥3.3 m，Hmin≤2.4 m。

根據(jù)生產(chǎn)實際經(jīng)驗，為防止偽頂冒落而引起支架頂空現(xiàn)象和一些難于預(yù)見的因素，最大結(jié)構(gòu)高度Hmax要在計算的基礎(chǔ)上，再考慮增加0.1～0.4 m的富裕量。確定支架的最低高度時還應(yīng)考慮到井下的允許運(yùn)輸高度。

經(jīng)過經(jīng)驗公式計算可知，支架的最小支撐高度為2.4 m，最大支撐高度為3.3 m。

2.3 支架支護(hù)強(qiáng)度（工作阻力）的確定

從理論上分析，合理的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)正好與頂板壓力相平衡，支護(hù)強(qiáng)度的大小應(yīng)取決于工作面采場礦壓的大小。但由于目前對采場礦壓的大小還不能進(jìn)行準(zhǔn)確的定量計算，目前主要以經(jīng)驗法或?qū)崪y數(shù)據(jù)來確定支架的支護(hù)強(qiáng)度（工作阻力）。

2.3.1 采用經(jīng)驗公式計算支架的支護(hù)強(qiáng)度

式中：q 為支護(hù)強(qiáng)度，MPa；K 為作用于支架上的頂板巖石系數(shù)，取8；H 為采高，3 m；γ 為頂板巖石密度，取2.5×103kg/m3；g 為重力系數(shù)，取9.8 N/kg。將數(shù)值代入公式計算得q=0.605 4 MPa。

2.3.2 按支架承受載荷計算支架的工作阻力

式中：Q 為支架工作阻力，kN；N 為采高倍數(shù)，取8；H為工作面平均采高，取3 m；F 為支架支護(hù)面積，取11.42 m2；Z 為煤層頂板巖石容重，取2.5 t/m2；1.05為考慮的富裕系數(shù)。將數(shù)值代入公式計算得Q=7 050.70 kN。

2.3.3 按最大采高計算支架的工作阻力

式中：P 為承受壓力，kN；M 為工作面最大采高，取3 m。將數(shù)值代入公式計算得P=588 kN。

2.3.4 支架控頂面積公式

式中：S 為支架控頂面積，m2；L1為支架最大控頂距（頂梁長度+端面距+截深），取6.525 m；L0為支架寬度，取1.75 m。將數(shù)值代入公式計算得S=11.42 m2。

2.3.5 支架工作阻力公式

式中：Q'為要求的支架工作阻力，kN。將數(shù)值代入公式計算得Q'=6 715 kN。經(jīng)計算可知，支架立柱工作阻力Q'為6 715 kN。

2.3.6 按照Ⅰ～Ⅲ級老頂?shù)墓ぷ髯枇ο孪抻嬎?/p>

2.3.6.1 液壓支架支護(hù)強(qiáng)度下限公式。

式中：Ps為額定支護(hù)強(qiáng)度下限，kN/m2；Hm為工作面煤層采高，取3 m；L 為老頂周期來壓步距，取8 m；Bc為支架控頂距（頂梁長度+端面距），取5.725 m；N'為充填系數(shù)，取2.5。將數(shù)值代入公式計算得Ps=617 kN/m2。

2.3.6.2 液壓支架工作阻力下限公式

式中：Fs為支架工作阻力下限，kN/架；Sc為支架中心距，取1.75 m；Ks為液壓支架支護(hù)效率，取0.95。將數(shù)值代入公式計算得Fs=5 872 kN。

通過計算方式可知，取最大值得出工作阻力為6 715 kN。

2.4 支架型號的確定

根據(jù)本工作面頂?shù)装鍘r性、煤厚、礦壓、通風(fēng)斷面等因素，確定本工作面選用ZF12000/22/35型放頂煤液壓支架，支架特征見表1。

由表1 可知，ZF12000/22/35型放頂煤液壓支架支護(hù)強(qiáng)度為1.14 MPa，能夠滿足工作面支架支護(hù)強(qiáng)度0.6276 MPa；ZF12000/22/35型放頂煤液壓支架支撐高度為2 200～3 500 mm，能夠滿足支架的最小支撐高度為2.6 m，最大支撐高度為3.5 m；故確定本工作面選用ZF12000/22/35型放頂煤液壓支架。

表1 液壓支架技術(shù)特征表

2.5 最大、最小控頂距

1）最大控頂距H大的計算

式中：H大為工作面最大控頂距，mm；L'1為支架前頂梁長度，5 325 mm；L' 為支架端面距，400 mm；L2為循環(huán)進(jìn)度，800 mm。將數(shù)值代入公式計算得H大=6 525 mm。

2）最小控頂距H小的計算：

通過計算確定工作面最大控頂距為6 525 mm，最小控頂距為5 725 m。

3 液壓支架性能驗算

3.1 底板比壓

合理地選擇支架底座對底板的最大比壓（支架技術(shù)特征表中可查），是支架選型中一個很重要的指標(biāo)，特別對于底板松軟的工作面更為重要，必要時應(yīng)進(jìn)行測定和計算。計算公式如下：

式中：q'為支架底座的最小抗壓入強(qiáng)度，取3.7；K1為底板載荷集中系數(shù)，取1；K2為灑水影響系數(shù)一般為0.8～1.2，取0.8；qm為支架對底板的最大比壓，可由支架特征表查得，取3.3。代入數(shù)值計算得3.7＞2.64，能夠滿足要求。

3.2 頂板覆蓋率

支架頂梁對支護(hù)面積的覆蓋率為：

式中：δ 為覆蓋率；B 為頂梁寬度，取1.75 m；K1為支架間距，取0.1 m；L頂為頂梁長度，取5.325 m；C 為端面距，取0.4 m；K1為有側(cè)護(hù)板的支架取0.1 m。將數(shù)值代入公式計算得δ=87.8%。δ 覆蓋率應(yīng)符合頂板性質(zhì)的要求，一般不穩(wěn)定頂板不小于87%～95%；中等穩(wěn)定頂板不小于75%～86%；穩(wěn)定頂板不小于60%～70%。根據(jù)公式計算可知，覆蓋率為87.8%，屬于中等穩(wěn)定頂板，滿足現(xiàn)場實際情況。

4 液壓支架性能校核

4.1 按承壓校核

式中：Pc為額定支護(hù)強(qiáng)度下限，kN/m2；Lp為老頂初次來壓步距，取30 m。將數(shù)值代入公式得Pc=739 kN/m2≈0.739 MPa。

綜上所述，支架額定支護(hù)強(qiáng)度為0.739 MPa，小于支架支護(hù)強(qiáng)度下限1.14 MPa，因此所選用ZF12000/22/35型放頂煤液壓支架滿足支護(hù)要求。

4.2 按支撐高度與煤層厚度變化情況校核

所選用支架最大支撐高度為3.5 m，最小支撐高度為2.2 m，煤層平均厚度為3 m，故所選用支架符合煤層變化的需要。

5 結(jié)語

現(xiàn)此綜放工作面正在回采，根據(jù)目前的推進(jìn)情況，ZF12000/22/35型放頂煤液壓支架支護(hù)強(qiáng)度完全能滿足需要，希望本文闡述的液壓支架選型設(shè)計能夠為煤礦的安全生產(chǎn)提供參考。