杭來灣煤礦超大采高液壓支架選型

張 軍

(陜西有色榆林煤業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

杭來灣井田位于陜西榆神礦區一期規劃區的西南部，井田長12 km，寬7.7 km，面積約92 km2。主采煤層為3號煤，位于延安組第3段頂部，煤層厚度6.34～8.14 m，平均7.46 m，局部含1～2層0.05～0.46 m泥巖、碳質泥巖夾矸，埋深240 m左右。煤層層位穩定，結構簡單，厚度變化小。無瓦斯，礦井涌水量較大。

1 采煤工藝的選擇

杭來灣煤礦302盤區平均煤厚達到7.46 m，目前針對7 m以上厚煤層的采煤工藝有分層開采、一次采全高以及放頂煤3種。分層開采設備投資少但巷道掘進量大且回采率低，一次采全高回采率高、增產潛力大但設備投資大，放頂煤煤層適應性好但原煤含矸率高且瓦斯積聚風險高等。針對3種采煤工藝的特點，利用加權評分評比法，確定適合302盤區的采煤工藝，見表1。

表1 302盤區采煤工藝加權評分統計Table 1 Weighted scoring statistics of coal mining technology in panel 302

綜上，通過對3種采煤工藝多指標對比評價，302盤區適宜采用一次采全高采煤工藝。

2 支架關鍵參數論證2.1 支架高度

液壓支架的高度應與工作面煤層的總體厚度變化相適應，保證回采率的同時應考慮到技術可靠性及投資經濟性。

支架高度可以用以下公式計算

Hmax=Mmax+S1

(1)

Hmin≤Mmin-S2-a-b

(2)

式中，Hmax為支架的最大高度，m；Mmax為煤層的最大可采厚度，m；S1為最大采高時支架高度的富余量，一般取0.1～0.3 m；Hmin為支架的最小高度，m；Mmin為煤層的最小可采厚度，m；S2為最小采高時頂板可能的下沉量，一般取0.3～0.5 m；a為支架移架所需最小降架量，取0.1 m；b為浮煤厚度，取0.1 m。

若不留頂、底煤開采，則煤層最大可采厚度Mmax可取8.1 m，最小可采厚度Mmin可取6.3 m。將各參數代入式(1)(2)，計算得到支架高度范圍為Hmax=8.4 m，Hmin≤5.6 m。

若留頂、底煤開采，其中頂煤預留大約0.2～0.5 m，底煤約0.1～0.3 m，煤層最大可采厚度Mmax可取7.3 m，最小可采厚度Mmin可取5.5 m。將各參數代入式(1)(2)，計算得到支架高度范圍為計算得到支架高度范圍為Hmax=7.5 m，Hmin≤4.8 m。

根據地質勘查資料及實測可知，302盤區3號煤層直接頂底板分布泥巖強度較底，且工作面涌水量較大，回采過程中易發生支架鉆底或局部冒頂。為保證工作面回采安全高效，需留設頂、底煤。

綜合考慮工作面回采率、作業安全性、推進高效性、設備可靠性以及系統穩定性等因素，最終確定支架高度范圍需滿足Hmax=7.5 m，Hmin≤4.8 m。

2.2 支架中心距

目前超大采高液壓支架中心距規格有1.75 m、2.05 m、2.4 m。1.75 m的寬度相對7 m以上的超大采高支架來說，橫向失穩角小，穩定性較差[1]。2.4 m中心距支架穩定性最好，但目前支架運輸配套不成熟，不適應現有礦井運輸安裝。2.05 m中心距支架在穩定性和運輸安裝等方面平衡性最好，故支架中心距確定為2.05 m。

2.3 架型選擇

目前使用比較廣泛的支架架型主要有兩柱掩護式液壓支架和四柱支撐掩護式液壓支架2種，這2種架型各有特點。兩柱掩護式支架結構簡單、重量輕、造價便宜、整體受力平衡、電液控自動化容易實現，而四柱支撐掩護式支架頂梁受力狀態好、切頂性好、支架穩定性較高、有較大的工作空間[2-3]。

針對2種支架的特點，利用加權評分評比法確定適合本礦實際情況的架型。見表2。

表2 302盤區液壓支架架型加權評分統計Table 2 Weighted scoring statistics of hydraulic support type in panel 302

根據以上評比結果，確定支架架型為兩柱掩護式支架。

2.4 支護強度

2.4.1 估算法

由經驗公式

P=nhγg×10-6

(3)

式中，P為支護強度，MPa；n為頂板巖石厚度系數，取6～8；h為采高，7.5 m；γ為頂板巖石密度，2 500 kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2。

將各參數代入式(3)，計算得到支架支護強度為1.1～1.47 MPa。

2.4.2 模型分析法

根據已有研究[4-5]，工作面采高加大后，覆巖垮落帶高度隨之加大，在普通采高中能形成穩定“砌體梁”結構的關鍵層(基本頂)，也將進入垮落帶而最終以“懸臂梁”結構破斷運動的型式存在，而關鍵層的“砌體梁”鉸接結構需在更高的層位才能形成。顯然對302盤區來說，采用7.5 m超大采高綜采開采工藝，工作面采空區內除直接頂外部分基本頂也將垮落，“砌體梁”結構上移，采場上覆巖層最終形成圖1“懸臂梁”加“砌體梁”的結構形態，而垮落高度增加導致工作面回采過程中動壓系數高，礦壓顯現強烈，頂板壓力和支架載荷明顯增大。

圖1 302盤區上覆巖層結構示意Fig.1 Overburden structure of panel 302

根據圖1可知，液壓支架的支護強度需要平衡3種力。第1種是支架頂梁上方直接頂的巖石自重，第2種直接頂上方已破斷形成“懸臂梁”的關鍵層1以及其上軟巖的自重，第3種是維持形成“砌體梁”結構的關鍵層2平衡的力。

根據以上分析，可建立如圖2所示的采場力學模型。

圖2 302盤區采場力學模型Fig.2 Mechanical model of mining face in panel 302

直接頂巖石自重載荷

(4)

式中，P0為直接頂載荷，MPa；h1為直接頂厚度，取3.2 m；Lk為控頂距，取6.4 m；α為直接頂破斷角，取78°。

關鍵層1及其上層軟巖自重載荷

(5)

式中，P1為關鍵層1及其上覆軟巖載荷，MPa；h2為關鍵層1及其上覆軟巖厚度，據地勘資料平均厚度取14.1 m；L為關鍵層1破斷長度，根據目前301盤區工作面來壓周期統計平均17刀，可取14.7 m。

支架維持關鍵層2“砌體梁結構”平衡所需載荷，可根據文獻[6]得

(6)

(7)

式中，P2為支架維持關鍵層2“砌體梁結構”平衡所需載荷，MPa；Q為關鍵層1及其上覆軟巖載荷，MPa；Lq為關鍵層2破斷長度，同取14.7 m；h3為關鍵層2及其上覆軟巖厚度，據地勘資料平均厚度取15.3 m。

則支架所需支護強度

P=n(P0+P1+P2)

(8)

式中，n為動載系數，根據周邊煤礦數據可取1.4[5]。

將式(7)代入式(6)，式(4)(5)(6)代入式(8)得P=1.54 MPa。

綜合以上數據，工作面的支護強度不小于1.54 MPa。

2.5 工作阻力

液壓支架的工作阻力應和工作支護強度的要求相適應，因此支架的工作阻力為

(9)

式中，η為支撐效率，取0.98；B為支架中心距，取2.05 m。計算可得，F=20 617 kN。

圓整后，支架工作阻力確定為 21 000 kN。

2.6 初撐力

合理的初撐力，可以有效減小頂板下沉量，快速提高支架的工作阻力，減小煤壁受力，控制煤壁變形，減輕煤壁片幫程度和發生量。

根據已有研究成果[7]，超大采高工作面初撐力與額定工作阻力的合理比例系數μ取75%～80%，可保證煤壁承壓水平較低，控制塑性變形并減少片幫。初撐力計算公式如下

Fch=μF

(10)

因此，初撐力應滿足15 750～16 800 kN。

2.7 護幫板

綜采工作面的片幫與端面冒頂往往同時發生，任何一種現象的發生和加劇必將導致另一種情況的發生，由此形成的惡性循環極易造成各種安全事故。對于7.5 m超大采高綜采來說，煤壁控制和頂板控制一樣重要，所以護幫板的合理選型是超大采高工作面煤壁管理的關鍵因素。

2.7.1 護幫板的長度

根據“壓桿”計算模型的結論：最易發生煤壁片幫的位置為距離底板0.65倍的采高處[8]。距頂板0.35倍采高處，煤壁側向位移最大，將首先失穩。綜合各種工況下護幫板的支護角度及有效防護面積，護幫板高度應為片幫高度的1.5倍。即

Hh=0.35kh

(11)

式中，Hh為支護幫板長度，m；k為護幫板支護系數，取1.5。計算得Hh=3.9 m。

圓整后，護幫板長度取4 m。

2.7.2 護幫力

根據煤壁的“拉裂-滑移”理論[9]，工作面煤壁受到頂板的壓力、支架的支撐力、護幫板的支護力、煤體內部的應力綜合作用，導致在煤壁距頂0.35倍采高的位置產生拉裂現象，煤體發生破壞[10-13]。是否形成片幫，綜合作用力還要滿足其他條件，即煤壁發生破壞并不一定導致片幫。

在一定條件下，護幫板對煤壁施加的護幫力能有效抑制煤壁片幫。由此，支架護幫力必須滿足以下要求，才能完全承擔已破碎煤體的重量以及護幫板自身的重量。即

(12)

式中，Fh為液壓支架防止煤壁片幫的護幫力，kN；n為安全系數，取2；θ為煤壁拉裂破斷角，取45°；ρ1為煤密度，1 300 kg/m3；ρ2為鋼材密度，8 000 kg/m3；D為護幫板平均厚度，取0.2 m。計算得Fh≥332 kN。

圓整后，支架護幫力不小于350 kN。

2.8 液壓支架技術參數

根據以上選型結果，確定302盤區超大采高液壓支架的主要技術參數見表3。

表3 302盤區液壓支架主要技術參數Table 3 Main technical parameters of hydraulic support in panel 302

3 結論

以目前煤炭裝備研發以及應用情況，平均可采煤厚在8 m以下的緩傾斜煤層應優先考慮一次采全高的采煤工藝。支架的高度選擇應充分考慮礦井實際情況，不能盲目追高，給生產安全帶來隱患。支架支護強度應根據地質情況考慮多種核算方式作對比，避免出現選小的失誤。采高越大采場片幫也越嚴重，所以選型時應對工作面煤壁管理做充分考慮，首先，支架工作阻力選大一些有利于減少煤體破壞；其次，護幫板的高度以及護幫力應合理選型，有利于控制煤體滑落。