朱廣輝
(中煤集團(tuán)晉城能源有限公司,山西 晉城 048000)
里必煤礦位于山西省晉城市沁水縣內(nèi),屬于沁水煤田一部分。首采一盤區(qū)3號(hào)煤層厚度4.4~5.6m,平均5.14m。首采一盤區(qū)工作面3號(hào)煤層埋深平均650m,傾角2~8°,屬Ⅲ類不易自燃煤層,煤塵無(wú)爆炸性危險(xiǎn),一盤區(qū)地溫正常,煤層屬煤與瓦斯突出煤層。3號(hào)煤層直接頂為炭質(zhì)泥巖或泥巖,自然抗壓強(qiáng)度28.0~34.4MPa,為中硬巖,厚度0~16.19m,平均3.57m,易垮落,頂板穩(wěn)定性相對(duì)較差;老頂為中細(xì)砂巖,自然抗壓強(qiáng)度33.77~93.1MPa,為中硬~堅(jiān)硬巖,厚度0.84~12.91m,平均8.07m,頂板穩(wěn)定性好;直接底為泥巖或砂質(zhì)泥巖,自然抗壓強(qiáng)度22.0~46.7MPa,為中硬巖,厚度0.57~10.47m,平均5.84m,其下為砂巖或灰?guī)r。
3號(hào)煤層工作面采用大采高采煤工藝,設(shè)計(jì)最大采高為5.6m。因此,需要對(duì)該工作面的液壓支架進(jìn)行選型設(shè)計(jì)分析。
目前美國(guó)長(zhǎng)壁工作面中液壓支架基本以掩護(hù)式為主,約占全部架型的96%,且有向兩柱式發(fā)展的明顯趨勢(shì)。里必煤礦首采一盤區(qū)3號(hào)煤層厚度平均5.14m,工作面采高較大,煤壁易片幫。據(jù)此條件,借鑒國(guó)內(nèi)外高產(chǎn)高效工作面經(jīng)驗(yàn),大采高工作面選用掩護(hù)式支架,底座為帶提底座千斤頂?shù)募娱L(zhǎng)剛性底座。
(1)液壓支架最大支撐高度Mmax
考慮到頂部浮煤或者偽頂?shù)拿奥?,液壓支架最大支撐高度Mmax按式(1)計(jì)算確定。
式中:
Hmax-綜采工作面最大采高,取5.6m;
S1-偽頂或浮煤冒落厚度,取0.3m。
則液壓支架最大支撐高度Mmax=5.6+0.3=5.9m。
(2)液壓支架最小支撐高度Mmin
液壓支架最小支撐高度可以通過(guò)式(2)計(jì)算確定。
式中:
Hmin-綜采工作面最小采高,取4.4m;
S2-頂板最大下沉量,取0.5m;
a-移架時(shí)支架活柱伸縮量,取0.1m。
則液壓支架最小支撐高度Mmin=4.4-0.5-0.1=2.8m。
因此,通過(guò)分析計(jì)算可得里必礦一盤區(qū)首采工作面大采高液壓支架的支撐高度為2.8~5.9m。
根據(jù)綜采工作面液壓支架與頂板的相互作用關(guān)系,液壓支架支護(hù)強(qiáng)度p可以按照式(3)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。
式中:
m-采高,m;
γ-頂板巖石容重,N/m3。
根據(jù)首采一盤區(qū)工作面的實(shí)際煤層賦存條件,3號(hào)煤層可采厚度4.4~5.6m,平均5.14m,為了最大程度地開(kāi)采煤炭資源,最大采高m設(shè)為5.6m;頂板巖層平均容重為24000N/m3,煤層平均埋深約為650m,頂板來(lái)壓較劇烈,取來(lái)壓系數(shù)為8。支架的合理支護(hù)強(qiáng)度為:p=8×5.6×24000=1.0752MPa。
綜上分析,確定里必煤礦首采大采高工作面液壓支架的合理支護(hù)強(qiáng)度為1.08MPa。
3.1.1 液壓支架高度和支架中心距確定
考慮到后期工作面最大采高可能達(dá)到6m,首采一盤區(qū)工作面采高范圍在4.4~5.6m。根據(jù)上述情況確定工作面液壓支架最小高度為2.8m,最大高度為6.3m。為提高大采高液壓支架穩(wěn)定性,支架中心距可以確定為1.75m。
3.1.2 液壓支架底座型式的確定
整體式剛性底座采用鋼板焊接成箱式結(jié)構(gòu),底部封閉,整體性強(qiáng),強(qiáng)度高,穩(wěn)定性好,對(duì)底板比壓小;整體式剛性底座適用于底板比較松軟,采高、傾角較大以及頂板穩(wěn)定或頂板來(lái)壓較強(qiáng)的條件。由于首采一盤區(qū)工作面開(kāi)采煤層厚度大,煤層埋深較大且頂板來(lái)壓較強(qiáng),同時(shí)根據(jù)礦區(qū)鄰近礦井的經(jīng)驗(yàn),工作面液壓支架底座選用整體剛性底座。
3.1.3 液壓支架底板比壓的確定
大采高液壓支架開(kāi)采3號(hào)煤層。3號(hào)煤層底板容許比壓qc=0.73×qm,qm=0.87×Rm。其中,Rm(自然)=34.35MPa,Rm(飽水)=20.8MPa,qc(自然)=21.82MPa,qc(飽水)=13.21MPa。因此,3號(hào)煤層底板分類為較軟Ⅲb類。液壓支架對(duì)底板比壓按3倍計(jì)算,即液壓支架底板比壓為3.24MPa。
根據(jù)液壓支架相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果,結(jié)合首采一盤區(qū)工作面地質(zhì)條件,首采一盤區(qū)工作面液壓支架確定為ZY12000/28/63型掩護(hù)式液壓支架,其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 液壓支架技術(shù)特征表
綜合考慮沁水煤田里必煤礦首采一盤區(qū)工作面的生產(chǎn)地質(zhì)條件,確定了ZY12000/28/63型掩護(hù)式液壓支架是適應(yīng)3號(hào)煤層開(kāi)采需要的最優(yōu)架型,確定了支架的支護(hù)阻力為1.08MPa,能夠滿足礦井的生產(chǎn)需要。