張志群 周松江 原學(xué)新

（山西煤銷集團(tuán)神農(nóng)煤業(yè)有限公司，山西 高平 048402）

液壓支架是工作面的主要支護(hù)設(shè)備，保證采面作業(yè)空間頂板安全。在礦井開采前需結(jié)合礦井煤層條件、設(shè)計(jì)采煤方法等選擇合適的液壓支架，以實(shí)現(xiàn)工作面安全開采[1-2]。本文以神農(nóng)煤業(yè)開采地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對(duì)15 號(hào)煤層工作面液壓支架選型進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)。

1 工程概況

神農(nóng)煤業(yè)為山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)資源整合礦井，批準(zhǔn)開采3-15 號(hào)煤層，生產(chǎn)能力為0.6Mt/a。其中3 號(hào)煤層資源已基本枯竭，只剩井田東北角未采；9 號(hào)和14 號(hào)煤均為局部可采；15 號(hào)煤全區(qū)穩(wěn)定可采。礦井初期開采15 號(hào)煤層，礦井設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量16810kt，服務(wù)年限20a，工作面采用一次采全高開采。14 號(hào)煤層厚0～1.10m，上距K2 石灰?guī)r平均0.51m，下距15 號(hào)煤層平均1.03m，煤層平均厚0.81m。15 號(hào)煤層厚1.9～5.1m，埋深在50～200m 之間。偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚0.2～0.5m，隨采隨落；直接頂為砂質(zhì)泥巖，最大厚度5.13m，抗壓強(qiáng)度43.4MPa；老頂為深灰色K2 石灰?guī)r，厚7.51m，抗壓強(qiáng)度35.9MPa，單向抗拉強(qiáng)度4.00MPa，巖石堅(jiān)硬；直接底板為含鋁泥巖，抗壓強(qiáng)度2.2MPa；再下為鋁質(zhì)泥巖、石灰?guī)r，鋁質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度8.3MPa。

2 液壓支架選型

2.1 支架強(qiáng)度確定

采用“傳遞巖梁”理論建立支架與圍巖關(guān)系力學(xué)模型，對(duì)液壓支架支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。由于煤層厚度起伏變化，為保證支架支護(hù)強(qiáng)度滿足實(shí)際需要，15 號(hào)煤層取最大厚度為5.1m，直接頂厚度為5.13m，基本頂為石灰?guī)r，厚7.51m。

（1）支架對(duì)直接頂阻抗計(jì)算

支架對(duì)直接頂?shù)淖杩褂?jì)算公式如下：

式中：

Mz-直接頂厚度，取5.13m；

γz-直接頂砂質(zhì)泥巖容重，取2.7t/m3；

l-支架合力作用點(diǎn)距煤壁的距離，取值3.66m；

Lk-支架控頂距離，為支架頂梁長(zhǎng)度和梁端距之和，取4.146m；

Ls-直接頂懸頂距，直接頂為砂質(zhì)泥巖，層理較發(fā)育，屬于較易冒落頂板，取1m。

由上式計(jì)算可得支架對(duì)直接頂?shù)淖杩篂?.1209MPa。

（2）支架對(duì)基本頂阻抗計(jì)算

在給定變形條件下，支架對(duì)基本頂?shù)淖杩沽τ?jì)算公式如下：

式中：

ME-巖梁厚度，取最大值9.00m；

CE-周期來壓巖梁斷裂步距，取25m；

KT-巖梁重量比例系數(shù)，取1.8；

ΔhT-要求采場(chǎng)控制的下沉量，給定形條件下ΔhA=ΔhT；ΔhA為采場(chǎng)支架在給定變形條件下的采場(chǎng)頂板下沉量。

采用給定變形進(jìn)行計(jì)算，可將式（2）化簡(jiǎn)為下式：

由此可計(jì)算得到支架對(duì)基本頂?shù)淖杩篂?.8142MPa。

根據(jù)液壓支架對(duì)直接頂和基本頂?shù)淖杩?，按?.9 的支護(hù)效率計(jì)算，可得到工作面頂板所需的最小支護(hù)強(qiáng)度為1.039MPa。

2.2 支架工作阻力確定

支架的工作阻力計(jì)算公式如下：

式中：

P-支架工作阻力，kN；

Lk-梁端距，0.546m；

LD-頂梁長(zhǎng)度，3.6m；

B-支架寬度，1.5m。

由支架支護(hù)強(qiáng)度為1.039MPa，可計(jì)算得到支架工作阻力為6461kN。

2.3 支架工作阻力驗(yàn)算

根據(jù)多位學(xué)者以及礦井實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從支架承受的頂板載荷與采高近似成直線關(guān)系的觀點(diǎn)出發(fā)，按支架承受的載荷為工作面最大采高的6～8 倍巖重進(jìn)行估算支架工作阻力[3-4]。根據(jù)本礦井地質(zhì)條件和煤層賦存狀況，設(shè)計(jì)按8 倍的巖重進(jìn)行估算，頂板巖石容重取2.5t/m3，支護(hù)面積取6.75m2，由此計(jì)算得到支架工作阻力為7017kN。

2.4 支架高度確定

支架的高度與工作面采高息息相關(guān)，在保證工作面最大和最小采高的基礎(chǔ)上還應(yīng)考慮一定的頂板冒落高度。另外，在選擇液壓支架的最大和最小高度時(shí)，盡可能地考慮保持工作面煤層實(shí)際開采厚度范圍與支架最佳工作高度范圍一致。確定支架最小高度還應(yīng)考慮礦井井下支架運(yùn)輸工具和輔助運(yùn)輸巷道斷面的高度。根據(jù)15 號(hào)煤層厚度和偽頂厚度，可計(jì)算得到液壓支架的支護(hù)高度在1.7～5.3m 之間，支架高度變化范圍較大。從礦井地質(zhì)鉆孔分析可知，礦井87.8%的范圍內(nèi)，15 號(hào)煤層整體煤層在2.51～4.2m。因此，綜合確定，液壓支架支護(hù)高度在2.31～4.5m，采用四柱式液壓支架，中心距為1.5m。

2.5 支架型號(hào)確定

根據(jù)上述計(jì)算可知，工作面液壓支架支護(hù)強(qiáng)度不小于1.039MPa，工作阻力應(yīng)不小于7017kN。為充分保證支架使用過程中的安全可靠，需考慮支架支護(hù)效率和不確定因素，支架選型時(shí)必須保留一定的安全系數(shù)，保證支架阻力足夠。因此，必須在最小支護(hù)強(qiáng)度和工作阻力的基礎(chǔ)上有一定的提高，故以此確定工作面支架工作阻力為8000kN。結(jié)合15號(hào)煤層厚度、采煤方法以及支架高度，綜合確定工作面采用ZZ8000/23/47 型四柱支撐掩護(hù)式液壓支架（支架基本參數(shù)見表1）、ZZG8000/23/47型過渡支架、ZCZ11700/24/45 型端頭支架和ZTC15600/24/45 型超前液壓支架，可滿足礦井絕大部分區(qū)域15 號(hào)煤層開采需要。

表1 支架基本參數(shù)

3 礦壓觀測(cè)分析

3.1 初采來壓分析

由于15 號(hào)煤頂板為K2 石灰?guī)r頂板，其為堅(jiān)硬厚層頂板，為降低工作面來壓強(qiáng)度，15 號(hào)煤首采工作面初采期間采用了爆破放頂技術(shù)，有效弱化了工作面頂板。首采工作面平均采高為3.9m，工作面回采過后，直接頂能夠隨著工作面推進(jìn)順序垮落。在工作面機(jī)頭推進(jìn)26.4m，機(jī)尾推進(jìn)至25.2m 時(shí)，工作面支架壓力出現(xiàn)增大，并出現(xiàn)局部片幫現(xiàn)象；在工作面推進(jìn)至28.2m，機(jī)尾推進(jìn)至27.6m 時(shí)，支架阻力出現(xiàn)降低，基本頂垮落結(jié)束。工作面整個(gè)初次來壓期間工作面支架壓力較為平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)驟增和驟降現(xiàn)象。計(jì)算分析，工作面初次來壓步距為26.6m，支架最大工作阻力為4519kN，最大工作阻力僅為支架額定工作阻力的56.5%。其主要原因在于首采工作面煤層厚度相比理論計(jì)算減小了1.2m，且工作面初采期間采取了爆破法處理頂板，有效降低了工作面初采來壓步距，來壓強(qiáng)度明顯降低。

3.2 周期來壓分析

對(duì)工作面正?；夭蛇^程中支架壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，工作面周期來壓步距在16.7 ～22.8m之間，平均19.6m，工作面支架最大工作阻力為4318kN，平均為4186kN，工作面支架動(dòng)載系數(shù)平均為1.35kN?？梢娝x支架工作阻力完全能夠滿足安全生產(chǎn)需要。

3.3 工作面“見方”位置礦山壓力特征

在工作面推進(jìn)長(zhǎng)度與工作面傾斜長(zhǎng)度接近時(shí)，即為工作面“見方”位置。該處工作面支架壓力明顯增大，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，支架壓力最大值為5689kN，為額定工作阻力的71.1%，且工作面出現(xiàn)明顯的片幫現(xiàn)象，最大深度為500mm，垂高達(dá)到1200mm。但是工作面支架壓力仍然能夠滿足需要，且有很大的富余量。工作面片幫較大主要原因在于工作面前期礦壓顯現(xiàn)不強(qiáng)烈，生產(chǎn)科和隊(duì)組放松了對(duì)支架初撐力的管理。

4 結(jié)語(yǔ)

液壓支架為綜采工作面最重要的機(jī)電設(shè)備，選擇合適的液壓支架是保證工作面安全高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)。采用“傳遞巖梁”理論計(jì)算工作面液壓支架支護(hù)強(qiáng)度，并由此計(jì)算支架工作阻力，進(jìn)行支架支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算。結(jié)合礦井煤層賦存情況、開采方法等多種因素，綜合確定神農(nóng)煤業(yè)15 號(hào)煤層液壓支架型號(hào)參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)，對(duì)工作面初次來壓、周期來壓和“見方”位置的支架壓力進(jìn)行了分析，液壓支架額定工作阻力能夠滿足安全生產(chǎn)需要。