楊顯彪

(晉能集團 新村煤業(yè)有限公司，山西 長治 046308)

隨著煤礦開采技術(shù)的不斷發(fā)展和機械化水平的提高，適用于大傾角煤層的采煤方法和機械設(shè)備也越來越完善，并在生產(chǎn)實踐中取得了良好的經(jīng)濟效益。在大傾角煤層的開采過程中，工作面液壓支架經(jīng)常發(fā)生傾倒失穩(wěn)等現(xiàn)象。為保證礦井安全高效生產(chǎn)，對工作面機械設(shè)備進行合理選型至關(guān)重要。本文以孟家窯煤礦5號煤層開采為例，在綜合分析綜放工作面支架-圍巖相互作用關(guān)系的基礎(chǔ)上，計算確定工作面液壓支架的支護高度和工作阻力[1-3]。

1 礦井概況

孟家窯煤礦位于寧武縣城西，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為120萬t/a；井田范圍內(nèi)5號煤層平均角度為25°以上，局部地區(qū)達30°以上；煤層厚度為8.44～16.82 m，平均13.74 m；頂板多為細—中粒砂巖，底板多為砂質(zhì)泥巖、泥巖和細粒砂巖；屬堅硬頂板條件下的傾斜—緩傾斜煤層。

礦井采用綜采放頂煤采煤方法開采5號煤層，割煤高度為3.50 m，放煤高度為10.24 m。

2 支架—圍巖相互作用關(guān)系[4]

在大傾角綜放工作面的支護系統(tǒng)中，支架與圍巖共同構(gòu)成了“基本頂—直接頂—支架—底板”力學(xué)體系，支架—圍巖間相互作用；在支架—圍巖的關(guān)系中，圍巖的運動破壞是絕對的，而支架起到承載和相對阻止這種變形破壞的作用，進而滿足工作面安全生產(chǎn)。考慮到大傾角煤層傾角，隨著工作面推進，垮落的矸石會沿工作面傾斜方向下滑到工作面后方采空區(qū)下部，垮落的矸石會在支架—圍巖相互作用的關(guān)系中起到一定的承受上部載荷的作用。大傾角綜采放頂煤工作面支架-圍巖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 大傾角綜采放頂煤工作面支架-圍巖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

3 工作面液壓支架選型[5]

工作面液壓支架選擇的合理與否直接關(guān)系著礦井能否安全高效生產(chǎn)，而合理確定液壓支架的工作阻力是工作面圍巖控制的關(guān)鍵。

工作面液壓支架的選型計算主要包括支護高度和工作阻力等。

3.1 支護高度的確定

1) 支架最大高度：

HZmax≥Mmax

式中：HZmax為支架最大支護高度，mm；Mmax為工作面最大采高，3.5 m；

經(jīng)計算：HZmax≥3.5 m。

2) 支架最小高度：

HZmin≤Mmin-S2-g-e

式中：HZmin為工作面最小支護高度，mm；Mmin為工作面最小采高，3.5 m；S2為頂板下沉量，200 mm；g為頂梁上、底座下的浮矸厚度，取50 mm；e為移架時支架回縮量，取100 mm。

經(jīng)計算：HZmin≤3.15 m。

3.2 支架工作阻力的確定

目前，計算支架工作阻力的方法主要有：載荷估算法、實測統(tǒng)計法和理論分析法。

1) 載荷估算法。通過對國內(nèi)30多個大傾角綜放工作面開采過程中實測液壓支架最大載荷與煤的硬度、采深和頂煤厚度進行線性回歸，得出關(guān)系式：

P=PmaxK

=(1 939+2.1H+471f+155/Md)×K

式中：P為工作面工作阻力，kN；Pmax為液壓支架最大荷載，kN；H為5號煤層最大埋深，930 m；f為煤層普氏系數(shù)，取1.8；K為安全系數(shù)，取1.35；Md為頂煤厚度，10.24 m。

經(jīng)計算：Pmax=6 419 kN。

2) 實測統(tǒng)計法。隨著采放厚度增加，頂板來壓時支架的循環(huán)末支護強度隨之升高，但幅度減小。支護強度表示成煤層厚度與巖石體積力的乘積，即：

q=knMγ

式中：q為支架支護強度，MPa；k為安全系數(shù)，取k=1.2～1.5；n為折算系數(shù)，n=9.768M-0.79；M為煤層全厚，13.74 m；γ為巖石體積力，取2.5 t/m3。

經(jīng)計算：q=0.64 MPa。

支架的工作阻力應(yīng)為：P=qS

式中：P為工作面工作阻力，kN；q為支架支護強度，MPa；S為支架正常的有效支護面積，取6.9 m2。

經(jīng)計算：P=4 416 kN。

3) 理論分析法。根據(jù)大傾角綜采放頂煤工作面液壓支架工作阻力力學(xué)模型(見圖2)，大傾角綜采放頂煤工作面支架支護強度計算公式為：

q=Kd×(q冒+q頂煤)×cosα

式中：q為工作面架所需支護強度，MPa；α為煤層傾角，25°；Kd為基本頂失穩(wěn)時的動載系數(shù)，取1.2；q冒為垮落帶巖層自重應(yīng)力，q冒=γ頂h，γ頂為頂板巖層容重，取24 kN/m3，采出率按93%計，煤巖碎漲系數(shù)按1.4計，經(jīng)垮落公式計算得h=31.9 m；q頂煤為支架上方頂煤自重應(yīng)力，q頂煤=γ頂煤M，γ頂煤為頂煤容重，取13 kN/m3，M為頂煤厚度，取10.24 m。

圖2 5號煤層支架工作阻力力學(xué)模型

經(jīng)計算：q=0.98 MPa。支架工作阻力計算如下：

P=q×(Lk+Ld)×B/Ks

式中：P為支架工作阻力，kN；q為支架的支護強度，0.98 MPa；Lk為端面距，取0.3 m；Ld為頂梁長度，取4.6 m；B為支架中心距，取1.5 m；Ks為支架支撐效率，取1。

經(jīng)計算：P=7 203 kN。

通過對上述三種不同方法的計算結(jié)果進行對比，確定5號煤液壓支架支護阻力為7 203 kN。

3.3 基本液壓支架的確定

根據(jù)前述對液壓支架支護高度和工作阻力的計算，經(jīng)綜合對比分析，工作面選用ZF7800/17/35型液壓支架，支架結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 基本支架結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 結(jié) 語

1) 針對孟家窯煤礦5號煤層賦存條件和開采方法，合理選擇了支架-圍巖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。

2) 礦井5號煤層開采過程中，液壓支架的支護高度范圍為3.15～3.5 m；支護強度應(yīng)大于0.98 MPa，工作阻力應(yīng)大于7 203 kN；通過綜合比選確定選用ZF7800/17/35型液壓支架，為礦井大傾角綜采放頂煤液壓支架的選型提供了參考。