劉永峰

(西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 太原 030205)

馬蘭礦18506綜采工作面位于南五下組煤采區(qū)左翼，煤層為石炭系太原組8號煤層，屬于穩(wěn)定可采的厚煤層，煤層平均厚度為4.43m，煤層傾角為0°～21°，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中上部存在一層穩(wěn)定夾矸，厚度為0.05～0.33m，該采區(qū)的西北側(cè)為已經(jīng)回采完成的18054綜采面，直接頂?shù)某醮慰迓洳骄酁?2～20m，周期來壓步距為9～16m。

該礦液壓支架主要用于和巷道內(nèi)煤柱一起來保證井下圍巖的變形量。液壓支架和煤柱、沿空順槽的實體幫一道做為受力結(jié)構(gòu)，用于承受井下巷道基本頂巖層的載荷。在支護作業(yè)時，煤礦井下基本頂巖層的回轉(zhuǎn)角和液壓支架支護時的強度息息相關(guān)[1]，液壓支架支護時的支護強度越大，井下基本頂巖層受力情況下的下沉量就越小，其回轉(zhuǎn)角就會越小，井下支護作業(yè)的安全性就越高。因此在馬蘭礦18506綜采面井下支護時，可將井下支護作業(yè)時的液壓支架與圍巖的相互關(guān)系，簡化為承載體和載荷體的相互關(guān)系，便于進行支護臨界強度的計算。

1 井下煤柱支撐力分析

由于煤礦井下巷道的基本頂?shù)膹姸却笥谙锏乐苯禹敽椭ёo煤柱的強度，為了便于對煤柱的支撐力進行分析，根據(jù)馬蘭礦井下的實際情況，將18506綜采面上煤柱的下側(cè)邊界處假設(shè)為固定的邊界，而將煤柱的上側(cè)邊界假設(shè)為施加一定變形量的邊界。由于在井下煤柱的四周采用了錨網(wǎng)帶支護方式，因此可將井下煤柱工作時的支護阻力分別設(shè)為P1、P2。煤礦井下煤柱的力學分析模型如圖1所示,圖中b表示井下巷道順槽高度，z表示支護煤柱寬度，θ表示井下基本頂巖層的回轉(zhuǎn)角。

圖1 井下支護煤柱受力分析示意圖

為了簡化計算，將井下支護煤柱的受力分析簡化為煤柱在受力平面上的平面應(yīng)變問題，并以受力情況下的位移分量來對變形勢能U進行描述[2]：

式中：

U-變形勢能；

E-煤礦井下煤層的彈性模量；

μ-煤礦井下煤層的泊松比；

w-在x軸方向上的位移分量，mm；

v-在y軸方向上的位移分量，mm。

假設(shè)在受力過程中在x軸方向上的位移分量w、在y軸方向上的位移分量v分別發(fā)生了微小的變形量δw、δv，則式（1）利用拉格朗日方程可變?yōu)椋?/p>

式中：

X-煤礦井下煤層受力時在x方向上的體力分量；

Y-煤礦井下煤層受力時在y方向上的體力分量；

-煤礦井下煤層受力時在x方向上的面力分量；

-煤礦井下煤層受力時在y方向上的面力分量。

根據(jù)所設(shè)定的煤柱受力分析模型，確定馬蘭礦18506綜采面的邊界條件為：

煤礦井下煤層受力時在x方向、y方向上的體力分量均為0，煤礦井下煤層受力時在x方向和y方向上的面力分量分別為P1、P2，當y=0的情況下在x軸和y軸方向上的位移分量w、v均為0，當x=z/2的情況下在x軸和y軸方向上的位移分量w=0，v=xtanθ，y=b。

綜合分析可得井下煤柱支護時的支撐力R可表示為：

式中：

σy-作用在煤柱上的任意點的垂直應(yīng)力。

根據(jù)馬蘭礦18506綜采面井下巷道巖層的實際情況，分析后確定井下煤柱工作時的支護阻力分別設(shè)為P1=P2=0.2MPa，煤礦井下煤層的彈性模量E=17.9MPa，煤礦井下煤層的泊松比μ=0.3，井下基本頂巖層的回轉(zhuǎn)角θ=2.7，最終確定井下煤柱支護時的支撐力R=6.9×103kN。由于支護區(qū)域頂板寬度為1m，因此根據(jù)承載體和載荷體的相互關(guān)系，確定了液壓支架支護時的支撐力

2 馬蘭礦井下支護液壓支架選型及工程應(yīng)用

根據(jù)以上分析，最終確定綜采面所選用的液壓支架型號為ZY8000/25/50型液壓支架，其支撐高度為2500～5000mm，支護作業(yè)時的支撐寬度為1830mm，工作時的工作阻力為8000kN，支護時的初撐力約為6412kN，其支護強度為1.01MPa。

在綜采面掘進作業(yè)期間，采用該型液壓支架進行支護，其超前支護距離約為49m，采用十字布點的方案對掘進期間沿空順槽表面的位移量進行監(jiān)控[3-4]，監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

圖2 井下掘進期間沿空順槽的圍巖變形曲線

由圖2可知，通過連續(xù)64d的監(jiān)測，在煤礦井下掘進期間沿空順槽的圍巖變形呈現(xiàn)出了先增加然后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。變形的位置主要在沿空幫處的位移和巷道頂板的下沉，左幫和右?guī)偷囊平考s為243mm，巷道頂板的下沉量約為102mm。回采期間沿空順槽表面的位移量監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

圖3 井下回采期間沿空順槽的圍巖變形曲線

由監(jiān)測結(jié)果可知，在回采期間，井下綜采面采動影響的距離約為169m，左幫和右?guī)偷囊平考s為1229mm，巷道頂板的下沉量約為292mm。由此可知，在整個井下綜采作業(yè)期間，左幫和右?guī)偷囊平烤∮谒x液壓支架的有效支護寬度，頂板的下沉量也遠小于支架最低支撐高度和順槽高度值差。在整個綜采作業(yè)期間，未出現(xiàn)液壓支架被壓死的現(xiàn)象，因此所選的液壓支架完全滿足井下安全作業(yè)的需求。

3 液壓支架支護時防“壓死”措施

馬蘭礦18506綜采面液壓支架在支護作業(yè)過程中未出現(xiàn)“壓死”現(xiàn)象，一方面是由于對液壓支架支護過程中的支護力計算準確，液壓支架選型合理，另一方面主要在于采用了適宜的防“壓死”方案[5]，主要包括以下幾個方面：

（1）合理設(shè)定液壓支架的移架方式，根據(jù)井下綜采作業(yè)面的實際情況，將常用的“升降順序移架”作業(yè)流程更改為“循環(huán)拆支交替移架”作業(yè)流程，有效地降低液壓支架在移架時反復(fù)的升降對頂板的破壞。

（2）在對巷道頂板進行鉆孔后實施補強支護，在進行補強支護時可通過對巷道頂板設(shè)置錨索拉桿，避免頂煤的冒落，還可以通過增加錨桿來提高實體幫的強度，減少受力時的變形，

4 結(jié)論

本文以馬蘭礦18506綜采作業(yè)面為分析對象，結(jié)合井下實際地質(zhì)狀況，對液壓支架支護時的支撐力等進行了驗算，根據(jù)驗算結(jié)果選擇了適宜的液壓支架，并對液壓支架在應(yīng)用過程中井下沿空順槽的圍巖變形情況進行了監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知：

（1）對井下液壓支架支護時的支撐力驗算方案合理，結(jié)果準確性高。

（2）在整個井下綜采作業(yè)期間，左幫和右?guī)偷囊平烤∮谒x液壓支架的有效支護寬度，頂板的下沉量也遠小于支架最低支撐高度和順槽高度值差。在整個綜采作業(yè)期間，未出現(xiàn)液壓支架被壓死的現(xiàn)象，因此所選的液壓支架完全滿足井下安全作業(yè)的需求。

（3）為了有效防止液壓支架支護作業(yè)時的“壓死”現(xiàn)象，除了要確保液壓支架選型準確外，還需要采用適宜的防“壓死”措施。