28802 工作面支護技術設計分析

李 勇

（西山煤電東曲礦，山西 古交 030200）

1 東曲煤礦28802 工作面概況

1.1 28802 工作面基本情況

28802 工作面位于麻坪嶺村東南部位的東曲煤礦，本文選用的八采區的8 號煤，煤層頂板到地面的垂直厚度是185～331 m。東北部是大巷保護煤柱；西北部是水平石門及大巷保護煤柱；西南部是八采邊界回風巷；東南部是已采出煤礦的28804 工作面。位于上方位置的大部分2 號、4 號煤未采出。煤層距離4 號到8 號為82 m，8 號到9 號為5 m。8 號煤層組厚度范圍為4.2～6.6 m，平均厚度5.26 m；8 號上層煤層厚度范圍0.58～0.8 m，平均厚約0.62 m；8 號煤厚度范圍在3.2～4.5 m，平均厚約3.64 m；8 號上層煤層及8 號煤總厚度為4.26 m；8 號上層煤層與8 號煤之間既有分叉又有合并，8 號上層煤層與8 號帶廢渣煤層厚度在0.1～2.4 m，平均厚約1.0 m。煤層頂底板巖層特征見表1。

表1 煤層頂底板情況

1.2 28802 工作面的地質構造

28802 工作面整體呈單斜構造，有4 條寬緩巖石彎曲存在；皮順側距切眼461 m、軌順側距切眼484 m，皮順側距切眼739 m、軌順側距切眼715 m，有2 條褶曲為背斜，軸走向分別為126°～153°、135°；皮順側距切眼611 m、軌順側距切眼600 m，皮順側距切眼863 m、軌順側距切眼818 m，有2 條褶曲，向斜，軸走向分別為135°、109°～131°，對回采有一定影響。

1.3 28802 工作面的水文地質

水文地質情況：本工作面水文地質條件中等。地表因上組煤回采造成的裂縫塌陷坑已填埋壓實，地面有樓栓溝、鐵磨溝穿過，為季節性河流，對回采無影響。8 號煤層上部有三層分別為L4、K2、L1 灰巖含水層，富水性弱。該工作面直接頂為L1 灰巖含水層，采煤過程中遇裂縫發育或揭露地質構造時，可能會有淋水情況，應做好排水工作。預計正常用水量為：2 m3/h，最大涌水量為：10 m3/h[1-2]。帶壓開采情況：工作面標高為818～860 m，奧灰靜水位標高為825～830 m，28802 皮順距切眼155 m、軌順距切眼199 m 范圍內帶壓。突水系數為0.011 MPa/m，小于0.06 MPa/m，屬于帶壓相對安全區。上方采空區情況：該工作面上方2 號煤、4 號煤均大部分未回采，22101 工作面、24101工作面采空區西翼軌道巷煤礦聚集水全部排放完畢，4 號煤與8 號煤層間為82 m，對回采無影響。工作面范圍內距切眼26 m 有一個煤田孔（D46），距切眼899 m 一個水文孔（水-108），鉆孔封孔良好，對回采沒有影響。

2 28802 工作面液壓支架設計

2.1 液壓支架的構造

液體支架在煤礦開采、工作面支護過程中發揮著重要的作用，同時，構造形式多種多樣。在工作面支護設計過程中，需要根據支護面不同的特點選擇相應的液壓支架。液壓支架由頂梁、立柱、掩護柱、活動側護板、底座、推移裝置和控制系統組成[3-4]。

2.2 液壓支架的工作原理及設計要求

液壓支架通過高壓液體所產生的壓力來進行支架的支撐，在這一過程中，需要有防止金屬黏結腐蝕的乳化液，在立柱升起的過程中推動立柱，提供支撐力不斷增強增強支架的支撐力，直到與頂板產生的壓力相當，通過安全閥將立柱固定，以保證支架能夠提供穩定的支撐力，確保使用過程中的強度、剛度。液壓支架最首要的要求是具有穩定性，對頂板壓力進行及時支護及并保證底座不會陷落，同時還需確保前方的安全性，避免巖石冒頂造成局部脫落。液壓支架需要排出煤礦生產產生的廢渣，確保操作環境的安全性，要有良好的照明條件、能夠與外界保持好通訊、通風狀況良好。液體支架要求對頂板、底座、接口都有良好的適應性，安裝操作簡單、運輸和維護成本低。

3 液壓支架主要參數的確定

3.1 液壓支架中支柱的高度

不同煤層有著不同的高度，為了適應煤層的高度范圍，支架的高度需要具備一定的可調控性。支架高度的調控需要適度，調控范圍過大會降低支架的強度，但是支架調控范圍過低，不能滿足對不同煤層高度實現調控的需求。我們需要根據煤礦方提供煤層高度信息設計液壓支架中支柱的高度的調控范圍。下面是28802 工作面液壓支架支柱的高度設計范圍。

1）支柱最大高度

式中：Mmax為巷高，取4.0 m；b 為頂梁厚度，取0.1 m；c 為支柱的富裕行程，取0.2 m。將數值代入公式得Hmax=4.1 m。

2）支柱的最小高度

式中：Mmin為工作面開缺口處最小開采高度，為4.0 m；Δh 為頂板在最大支護梁和采礦寬度下的平均最大下沉量，取0.2 m；b 為頂梁厚度，取0.1 m；a 為支柱的富裕行程，取0.2 m。將數值代入公式得Hmin=3.9 m。

根據以上計算，本工作面選用DZ-42 型單體液壓支柱。液壓支柱的使用能夠降低礦井工人的工作強度，提高安全生產性能，解決不同硬度頂板的支護問題，實現煤炭資源的高效利用。

3.2 液壓支架中乳化液泵站參數設計

乳化液泵站為液壓支架提供動力，科學合理的設備配套是工作面回采的重要依據。通過合理設計乳化液泵站的壓力、流量、功率、容積，可以為液壓支架選擇到合適的泵站，為液壓支架提供穩定的動力來源，確保液壓支架的高效工作，為28802 工作面提供了持續穩定的乳化液，不會出現滲漏問題和故障現象，為工作面安全高效的生產活動的進行奠定基礎。

3.2.1 根據液壓支架初撐力確定泵站壓力Pb1

式中：2 為系數；πD2/4 為液壓柱的底面積，p1為液壓支架初撐力，取6 410 kN；z 為架液壓支架立柱根數，取4；D 為支架立柱的缸體內徑，取0.26 m。將數值代入公式得Pb1=42 MPa。

3.2.2 泵站流量Q

液壓支架中泵站流量為作用在工作面上立柱最大流量與千斤頂最大流量的總和，同時還要提供足夠能量確保液壓支架的快速移動，泵站流量的計算如下：

式中：n1為移動液壓支架時同時升降的立柱數，取2；n2為移動液壓支架時同時伸縮的千斤頂數，n2=1×2=2；s1為移動液壓支架時立柱的行程，取0.2 m；液壓支架中B 為移動液壓支架時千斤頂的行程，取0.7 m；F1為立柱環形腔的作用面積，取85 cm2；F2為液壓支架活塞的作用面積，取530 cm2；F3為推移千斤頂的作用面積，取113 cm2；L 為支架架間距，取1.75；vc為采煤機牽引速度，取0.24 m/min；t4為移動液壓支架過程中的其他輔助時間，取0.2 min；η1為泵站容積效率，取0.9～0.92。

將數值代入公式得Q=19.9 L/min。

3.2.3 泵站功率N

式中：p 為泵站的額定壓力，P=42 MPa；η 為泵站的效率，η=0.9。

將數值代入公式得：N=152 kW。

3.2.4 泵站乳化液箱容積V

按泵站工作流量選擇容積為：

式中：Q0為從液箱箱底流過吸液口液面最低處時的流量，取150～200 L。將數值代入公式得V1=209 L。

泵站停止工作時，軌道順槽液管回流的全部流量：

式中：d1，d2分別為主進管、回液管的內徑，均取5 cm；L1，L2分別為主進管、回液管的長度，均取3 500 cm。將數值代入公式得V2=347 L。

煤層厚度變化時，液壓支架立柱發生伸縮變化，發生變化過程中需要的流量：

式中：D 為立柱缸體內徑，取26 cm；h 為煤層厚度變化量，取100 cm；n 為每架支架的立柱數，取4；z1為同時動作的支架數，取2 cm。將數值代入公式得V3=212.2 L。

乳化液箱容積V=V1+V2+V3=768.2 L。

因為采煤高度不同，液壓支架會發生變化，乳化箱要求能夠滿足液壓支架變化所需要的乳化液量，同時還需要容納流進液體和回流液體，保證足夠容積。因為煤層變化不大，采煤高度導致液壓支架變化需要的乳化液量可以忽略。所以，本文選擇的液壓泵為BRW200/31.5 型，選擇的乳化液箱為XR-WS800，選擇的乳化液輸液管為Φ38 mm 高壓管。

4 28802 工作面的錨桿加強支護設計

4.1 錨桿支護的原因

在煤礦巷道施工過程中，因為來自周圍礦山頂部、底部和側部的礦壓作用于礦道可能會導致巷道的坍塌而導致采礦工人的死亡，在支護設計的過程中，需要根據工作面的不同地質條件進行適宜的支護設計，同時還需要必要的強化工作面支護的措施，確保采礦工人的生命安全。根據工作面的斜矩形形狀我們選擇錨桿加強支護。錨桿支護可以在礦山內部對巖石進行加固，形成一個一體化承載結構，充分利用巖石穩定性和承載能力防止巖石的變形，保證巷道的穩定，提高工作面的進行效率。

4.2 錨桿支護的設計

4.2.1 錨桿長度

式中：KH為安全系數，經驗值取2；L1為錨桿到達穩定巖層的錨桿深度，經驗值取0.6 m；L2為錨桿在巷道中的裸露長度，經驗值取0.1 m。

將數值代入公式得LL＝2.7 cm。

4.2.2 錨桿固定處與巖石結合力的確定

錨桿的錨桿固定處與巖石結合力大于或等于懸掛中的不穩定巖層的重量，按下式計算：

式中：Q桿為錨桿錨桿固定處與巖石結合力，kN；K1為安全系數，經驗值為2～3；a桿1為錨桿之間間距，經驗值為0.92 m；a桿2為錨桿排距，經驗值為1 m；γ為易墜落巖石的平均重力密度，取25 kN/m3。

將數值代入公式得：Q桿=9.2 kN。

4.2.3 錨桿的直徑

根據錨桿桿體承載力與錨桿固定處與巖石結合力等強的原則，按下式計算：

式中：d桿為錨桿直徑，m；σs為錨桿桿體的屈服極限，礦選用HBR335 螺紋鋼錨桿屈服極限取335 MPa（1 MPa=1 000 kN/m2）。

將數值代入公式得d桿=0.018 m。

5 結語

28802 工作面的支護設計包含嚴謹的計算過程，要結合煤層高度特點、地質情況、工作面形狀等諸多因素進行綜合分析設計，確保工作面的穩定性和安全性，保障煤礦高效有序的開采，促進煤礦企業的持續穩定發展。