閆建軍

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)申南凹焦煤有限公司， 山西 臨汾 042105）

引言

液壓支架作為綜采機(jī)組的重要部分，對(duì)特厚煤層的高效開采起著至關(guān)重要的作用，其選型需建立在合理的工作阻力上。鄉(xiāng)寧礦主采1-2/2-2/3-1煤層，煤層厚度在5～7.5 m之間，平均厚度為7 m，屬于特厚煤層。煤層中含夾矸，巖性為粉砂巖和泥巖，厚度為0.1～0.4 m不等。整體結(jié)構(gòu)單一，傾角在1°～8°之間，裂隙發(fā)育不明顯。其中夾矸單向抗壓最低為50 MPa，最高不超過100 MPa。煤的單軸抗壓從22～57 MPa不等。

1 頂?shù)装迩闆r

支架作用于礦井巷道上方的頂板，起支護(hù)作用，防止開采工程中出現(xiàn)異常落煤或引起巷道坍塌。因此要想研究特厚煤層大采高下支架的工作阻力，就需要對(duì)頂?shù)装迩闆r有所了解。根據(jù)頂板巖層巖性、厚度以及變形特征、跨落難易程度可將頂板分為直接頂、老頂以及偽頂。底板情況與之相似。根據(jù)勘察情況可知鄉(xiāng)寧礦主采1-2/2-2/3-1煤層屬于直接頂和老頂。直接頂?shù)膸r性基本上為砂質(zhì)泥巖和粉砂，呈現(xiàn)致密巨厚的深灰、灰白色水平層理，層間裂隙不發(fā)育較穩(wěn)定，整體厚度在2.02～13.59 m，跨度比較大，均抗壓強(qiáng)度為41MPa，抗拉強(qiáng)度為2 MPa。老頂與直接頂?shù)膸r性相似，含中細(xì)粉砂、砂質(zhì)泥巖，存在接觸式交接，厚度在8.52～27.02 m，跨度大于直接頂。該煤礦存在直接底及老底。直接底與直接頂巖性一致，并呈砂泥質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)，厚度在4～9.27 m之間，受巖性條件影響易遇水泥化、崩解，降低底板的穩(wěn)定程度。老底則為深灰色細(xì)砂、砂泥巖，厚度在3.25～11.04 m之間，呈細(xì)粒砂狀中厚/巨厚層狀結(jié)構(gòu)。

2 大采高開采支架支護(hù)強(qiáng)度及工作阻力的確定

2.1 大采高開采支架支護(hù)強(qiáng)度的確定

要想確定開采支架的工作阻力，首先需要對(duì)支架的支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行分析和確定，進(jìn)而依據(jù)支護(hù)強(qiáng)度確定工作阻力。一般來講支護(hù)強(qiáng)度可以通過經(jīng)驗(yàn)估算法、實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)法以及老頂?shù)摹岸唐鲶w梁”和“臺(tái)階巖梁”理論獲得[1]。下面就分別對(duì)這幾種方法的計(jì)算方式進(jìn)行介紹，并給出相應(yīng)的計(jì)算數(shù)值。

2.1.1 經(jīng)驗(yàn)估算法

經(jīng)驗(yàn)估算法具體來講可以分為三種情況，分別是采高倍數(shù)容重法、威爾遜估算法，以及上述經(jīng)驗(yàn)公式的融合法。采高倍數(shù)容重法顧名思義就是按照采高數(shù)倍的控頂去單位面積內(nèi)的頂板容重來進(jìn)行強(qiáng)度確定，計(jì)算公式如公式（1）：

式中：K代表作用于支架頂板的巖石厚度倍數(shù)，取6；H代表工作面采高，實(shí)際煤礦煤層平均厚度為7 m；γ代表巖石容重，取2700 kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2。根據(jù)公式（1）代入數(shù)值計(jì)算，并獲得支護(hù)強(qiáng)度為1.13 MPa。

2.1.2 威爾遜估算法

該估算法由英國著名學(xué)者威爾遜在研究煤礦工作面平衡問題時(shí)獲得。根據(jù)該計(jì)算方法，頂板壓力的確定僅計(jì)算直接頂?shù)男螤詈秃奢d，進(jìn)而根據(jù)巖層存在斷角和傾斜的關(guān)系，那么支架應(yīng)對(duì)直接頂厚度2倍的采高進(jìn)行控制，考慮跨落巖石的松散系數(shù)為1.5倍[2]。根據(jù)松散程度，斷角取值不同。松散度越大，則斷角值越小，非常松散的斷角為0°，非常堅(jiān)硬則為60°[3]。其計(jì)算公式如公式（2）：

式中：W為直接頂板巖塊質(zhì)量，并由公式W=LHγ獲得。γ為巖石容重；L為工作面煤壁到頂梁后端距離；C為支架中心距離；D為工作面煤壁到支架合理的作用點(diǎn)距離，h為直接冒頂高度；tanα則為層面摩擦因素。分別對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行取值，其中L為6 m，H為 2 m，γ 為 2.7 t/m3，C 為 5.2 m，D 取 4 m，tanα 為0.4。結(jié)合會(huì)采面的初撐力及額定工作阻力，最終確定支架支護(hù)強(qiáng)度為1.05 MPa。

2.1.3 經(jīng)驗(yàn)公式法

根據(jù)以往的估算經(jīng)驗(yàn)公式，可以按照公式（3）、（4）進(jìn)行支護(hù)強(qiáng)度推導(dǎo)。

式中：M為煤層厚度；γ為頂板巖石容重；d為頂板動(dòng)載系數(shù)；α為煤層傾角；B為附加阻力；n為不均衡安全系數(shù)；K為巖石碎脹系數(shù)。對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行取值，M取煤層厚度均值7 m，γ為2700 kg/m3，d為1.3，傾角α為3°，B為1.2 N，n為1.75，K為1.3，最終確定支架支護(hù)強(qiáng)度為1.075 MPa.

2.1.2 實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)法

實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)法中對(duì)老頂?shù)闹ёo(hù)強(qiáng)度計(jì)算的能力較高，根據(jù)老頂?shù)募?jí)別按照綜采工作面的強(qiáng)度規(guī)律，獲得計(jì)算公式（5）：

式中：h為采高，L為老頂周期來壓步距，B為控頂高度，N為直接頂厚度與采高比。根據(jù)本工作面的情況依次取值為 7 m、9 m、7 m、7.8/7。根據(jù)公式（5）計(jì)算獲得值強(qiáng)度為1.025 MPa。

2.2 大采高開采支架工作阻力的確定

根據(jù)上述支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算方式，所獲得的支護(hù)強(qiáng)度屬于合理范圍，并根據(jù)該工作面的實(shí)際工況，其屬于厚表土、薄基巖條件，對(duì)于老頂而言容易發(fā)生切落或者下沉。因此考慮選用取值較大的支護(hù)強(qiáng)度，選擇公式（1）的計(jì)算結(jié)果1.13 MPa。本著實(shí)施容易，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的工作經(jīng)驗(yàn)，分別對(duì)支架的中心距離按照1.75 m、2 m、2.5 m進(jìn)行取值，并根據(jù)額定工作阻力的計(jì)算公式：

式中：P為支護(hù)強(qiáng)度；L為支架中心距離；α為立柱垂直方形傾角，取值4°。那么根據(jù)上述公式，可以獲得三種支架中心距離條件下的工作阻力值，并按照安全生產(chǎn)的工作要求，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行偏大取整的方式，提升支架的初支撐能力。具體計(jì)算的工作阻力如表1所示。

表1 支架工作阻力取值

3 結(jié)語

在進(jìn)行特厚煤層大采高支架工作阻力確定時(shí)，需要結(jié)合經(jīng)驗(yàn)估算法、實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)法等方式對(duì)老頂、直接頂進(jìn)行支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算，進(jìn)而結(jié)合工作阻力計(jì)算公式，確定相應(yīng)的工作阻力。值得注意的是在選取支護(hù)強(qiáng)度取值時(shí)應(yīng)明確頂板的實(shí)際工況，為防止跨落和下沉，應(yīng)選取大支護(hù)強(qiáng)度并將工作阻力計(jì)算結(jié)果采取偏大取值的方式，保證工作安全。

[1]范公勤，吳亞運(yùn)，折智，等.采空區(qū)下特厚煤層工作面支架適應(yīng)性研究[J].煤炭技術(shù)，2015，34（1）：305-308.

[2]王子印.特厚煤層大采高開采技術(shù)探討[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2017，30（4）：158-159.

[3]李龍清，巨江鵬，張星武，等.小保當(dāng)?shù)V2-2煤大采高綜采面支架工作阻力確定[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35（3）：298-302.