佟友

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013)

“孤島”綜放工作面液壓支架選型設(shè)計

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為改善唐安煤礦“孤島”綜放工作面的支護(hù)狀況，采用理論分析與數(shù)值模擬方法對“孤島”綜放工作面的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究，確定了支架的主要技術(shù)參數(shù)。研究結(jié)果表明:“孤島”綜放工作面超前支承應(yīng)力明顯高于一般綜放工作面，礦山壓力顯現(xiàn)劇烈，確定支架支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)大于0.91MPa。經(jīng)實踐檢驗，該支架能夠很好地滿足工作面支護(hù)要求，對具有類似條件的礦井具有很好的參考價值。

“孤島”綜放工作面;液壓支架;選型設(shè)計;數(shù)值模擬;支護(hù)強(qiáng)度

隨著我國煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)，許多礦井陷入資源匱乏的窘境，為了滿足工作面生產(chǎn)接續(xù)的需要，初期采用“跳采”的工作面，現(xiàn)在不得不面臨“孤島”開采的情況［1－3］。

對比一般非“孤島”綜放工作面，“孤島”綜放工作面由于受前期兩側(cè)工作面開采及本次工作面開采的疊加影響，應(yīng)力集中程度及礦壓顯現(xiàn)程度加劇，巷道維護(hù)困難 (巷道超前支護(hù)達(dá)到一百多米)，且容易引發(fā)沖擊地壓［4－5］。目前，對普通綜放工作面覆巖破斷結(jié)構(gòu)與支承壓力分布規(guī)律已進(jìn)行了較多的研究［6］，放頂煤液壓支架的選型設(shè)計日趨成熟，但針對“孤島”綜放工作面支架的選型設(shè)計還缺乏研究。

本文以理論分析及數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，對唐安煤礦“孤島”綜放工作面支架主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行論證，研究確定了支架的合理支護(hù)強(qiáng)度，對于該條件下綜放工作面的安全開采具有一定的參考價值。

1 礦井概述

唐安煤礦752水平四盤區(qū)工作面初期采用“跳采”，后期布置的工作面兩側(cè)均為采空區(qū)，工作面礦山壓力顯現(xiàn)劇烈，現(xiàn)有支架支護(hù)強(qiáng)度為0.6MPa，工作面頂板下沉、煤壁片幫、冒頂嚴(yán)重，不能滿足工作面支護(hù)要求。

礦井現(xiàn)開采3號煤層，該煤層賦存于山西組下部，為井田內(nèi)主要可采煤層，結(jié)構(gòu)單一，賦存穩(wěn)定。煤層厚度為5.58～6.67m，平均6.11m，厚度變化不大，含夾矸1～2層，變異系數(shù)R=4.72%，煤層傾角0～5°。

煤層偽頂一般為薄層狀黑色炭質(zhì)泥巖，質(zhì)軟，隨采隨落，厚度約為0.4m。當(dāng)偽頂不發(fā)育時，煤層直接與直接頂或基本頂接觸。直接頂為灰黑色泥質(zhì)細(xì)粒結(jié)構(gòu)的泥巖，質(zhì)軟，完整性較好，厚度約為2.7m?；卷敒榛液谏辛＝Y(jié)構(gòu)的細(xì)砂巖，質(zhì)硬，完整性較好，厚度約為4.8m。煤層直接底為灰黑色含炭化物碎片的粉砂巖，中等硬度，完整性較好，厚度約2.2m?；镜诪榛液谏倭堪自颇杆槠纳百|(zhì)泥巖，質(zhì)軟，厚度約1.2m。盤區(qū)內(nèi)有小斷層和小的陷落柱，但對回采無太大影響。煤的堅固性系數(shù)f=3，重力密度1.45t/m3，屬不易自燃煤層。

2 數(shù)值模擬計算及分析

2.1 數(shù)值模擬計算方案

唐安煤礦3號煤層埋深約為350m，工作面最大機(jī)采高度為3.0m，平均放煤高度為3.11m，已開采工作面長度為180m，待開采工作面長度為180m，中間保護(hù)煤柱寬度為16m，工作面布置情況見圖1所示。

圖1 工作面布置

模型依照唐安煤礦實際工程地質(zhì)情況建立，先對左側(cè)工作面進(jìn)行開挖，然后對右側(cè)工作面進(jìn)行開挖，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，然后對左右工作面進(jìn)行回填，并進(jìn)行巖石力學(xué)參數(shù)的弱化 (模擬采后頂板巖層垮落充填，并經(jīng)過一定時期穩(wěn)定的情況)，最后對中間工作面進(jìn)行開挖，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

工作面每次推進(jìn)5m，兩側(cè)工作面開挖的垂直應(yīng)力分布見圖2所示，其推進(jìn)到105m時的超前支承應(yīng)力分布規(guī)律見圖3所示。

圖2 兩側(cè)工作面開挖的垂直應(yīng)力

圖3 超前支承應(yīng)力分布規(guī)律

由模擬結(jié)果可知，工作面中部前方煤壁支承應(yīng)力峰值距工作面煤壁約5m［1］，工作面超前支承應(yīng)力影響范圍約為25～30m，兩側(cè)工作面的開挖對中間待開挖工作面有一定影響，且隨著工作面推進(jìn)距離的增大，對煤柱的影響逐漸增大，并趨于穩(wěn)定，側(cè)向支承應(yīng)力的影響范圍約為20～25m，遠(yuǎn)高于中間保護(hù)煤柱寬度。

在中間開采工作面開挖初期，超前支承應(yīng)力峰值與兩側(cè)工作面相近，當(dāng)工作面向前推進(jìn)50m后，中間“孤島”工作面超前支承應(yīng)力峰值明顯增大，“孤島”工作面及巷道礦壓顯現(xiàn)加劇。

“孤島”工作面超前支承應(yīng)力明顯大于兩側(cè)工作面，中間工作面由于兩側(cè)已經(jīng)采空，超前支承應(yīng)力峰值要比兩側(cè)工作面大，隨之而來的是工作面礦壓顯現(xiàn)程度加劇。通過對工作面破壞區(qū)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，中間工作面的頂板破壞高度要大于兩側(cè)工作面，對支架支護(hù)強(qiáng)度有更高的要求。

3 液壓支架選型設(shè)計

3.1 支架高度的確定

唐安煤礦采區(qū)煤層厚度為5.58～6.67m，平均6.11m，采用沿底一次放頂煤開采。為了保證合理的采放比，確定工作面機(jī)采高度為3.0m。

為適應(yīng)煤層厚度變化，支架的最大結(jié)構(gòu)高度比最大采高大0.2～0.4m左右，取均值0.3，則:

選取支架最大結(jié)構(gòu)高度為3300mm，根據(jù)支架立柱伸縮比的要求，支架最低高度確定為1700mm。

3.2 支架支護(hù)強(qiáng)度的確定

3.2.1 頂板結(jié)構(gòu)分析估算法

頂板結(jié)構(gòu)分析估算方法的理論基礎(chǔ)是工作面支架工作阻力承受直接頂和頂煤的載荷，并平衡基本頂失穩(wěn)時對支架的動載，支護(hù)強(qiáng)度計算公式為［2］:

式中，q為工作面支架所需支護(hù)強(qiáng)度，MPa;Kd為基本頂失穩(wěn)時的動載系數(shù)，一般取1.1～1.8;qd為直接頂自重應(yīng)力，kN;γd為直接頂巖層重力密度，kg/m3;h為直接頂垮落充填高度，m;qc為支架上方頂煤自重應(yīng)力，kN;γc為煤層重力密度，kg/m3; Mc為支架上方頂煤高度，m;M為煤層一次采出厚度，m;Kp為直接頂垮落碎漲系數(shù)，一般取1.25～1.5。

根據(jù)礦井實際地質(zhì)資料，煤層厚度取6m，機(jī)采高度取3m，放煤高度取3m，由于工作面兩側(cè)均為采空區(qū)，工作面礦山壓力較大，基本頂失穩(wěn)時的動載系數(shù)較大，在這里取經(jīng)驗最大值1.8，此方法最終確定的支架支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)大于0.907MPa。

3.2.2 基于支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量的數(shù)值模擬方法

國內(nèi)外研究成果表明，支架工作阻力與頂板最終下沉量ΔL(即由煤壁到采空區(qū)一側(cè))是一近似的雙曲線，即當(dāng)支架支護(hù)強(qiáng)度較小時，頂板 (煤)下沉量會隨著支護(hù)強(qiáng)度的增大而急劇減小;當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到一定范圍后，繼續(xù)增大支護(hù)強(qiáng)度，對限制頂板 (煤)下沉量的作用明顯減弱，也就是說在支架支護(hù)強(qiáng)度和頂板 (煤)下沉量關(guān)系曲線中存在一個拐點，這個拐點就是支架最合理的支護(hù)強(qiáng)度［3］。

為了得到支架支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量的相互關(guān)系，分別對支架支護(hù)強(qiáng)度為0.4MPa，0.6MPa，0.8MPa，0.9MPa，1.0MPa，1.1MPa進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對支架后方5.0m處的頂板位移點進(jìn)行監(jiān)測，得到了支架支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量的關(guān)系曲線，見圖4所示。

圖4 支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量關(guān)系曲線

通過對支架支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量關(guān)系曲線進(jìn)行分析可知，支架支護(hù)強(qiáng)度為0.9～1.0MPa時，其頂板下沉量隨支架支護(hù)強(qiáng)度增大而降低的程度明顯減小，由此可知，支架支護(hù)強(qiáng)度取0.9～1.0MPa比較合理。

綜合分析以上2種支架支護(hù)強(qiáng)度計算方法，最終確定支架的合理支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)大于0.91MPa，支架的工作阻力可按下式計算:

式中，F(xiàn)為支架工作阻力，kN;qz為支架的合理支護(hù)強(qiáng)度，MPa;LK為梁端距，取LK=0.36m;LD為頂梁長度，取LD=4.8m;B為支架寬度，取B= 1.5m。

根據(jù)以上計算結(jié)果，考慮支架缸徑及安全閥開啟壓力，最終確定支架工作阻力為7200kN。

3.2.3 液壓支架技術(shù)參數(shù)

根據(jù)以上計算結(jié)果，并充分考慮唐安煤礦3號煤層賦存條件，最終確定中部支架型號為ZF7200/ 17/33型放頂煤液壓支架，見圖5所示，其主要技術(shù)參數(shù)如下:

高度:1700～3300mm

中心距:1500mm

初撐力:6184kN(P=31.5MPa)

工作阻力:7200kN(P=36.67MPa)

支護(hù)強(qiáng)度:0.93～0.96MPa

移架步距:800mm

適應(yīng)煤層傾角:小于等于15°

泵站壓力:31.5MPa

操作方式:本架控制

支架重量:約23.5t

圖5 ZF7200/17/33型放頂煤液壓支架

4 結(jié)論

唐安煤礦在“孤島”綜放開采過程中工作面及巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈，原有支架支護(hù)強(qiáng)度不能滿足礦井安全開采要求，通過理論分析及數(shù)值模擬計算，發(fā)現(xiàn)“孤島”綜放工作面超前支承應(yīng)力明顯高于一般綜放工作面，超前支承應(yīng)力影響范圍約為25～30m，側(cè)向支承應(yīng)力的影響范圍約為 20～25m，最終確定支架支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)大于0.91MPa，設(shè)計中部支架型號為ZF7200/17/33，過渡支架型號為ZFG8000/18.5/33H。經(jīng)實踐檢驗，能夠很好地滿足礦井安全、高效開采要求。

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［責(zé)任編輯:徐亞軍］

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1006-6225(2012)04-0044-03

2012－02－02

佟 友 (1977－)，男，河北秦皇島人，工程師，現(xiàn)從事液壓支架設(shè)計工作。