文建國

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司干河煤礦，山西 洪洞 041600)

0 引言

干河煤礦東南部及西南部 1、2號煤合并為一層，合并厚度 3.30～6.52 m,屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。頂板巖性為泥巖、石灰?guī)r(L1)、炭質(zhì)泥巖或粗粒砂巖，局部在石灰?guī)r之下發(fā)育—薄層泥巖偽頂，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。底板粉砂巖抗壓強(qiáng)度為 11.6～16.3 MPa，平均 13.9 MPa，屬軟弱巖石；抗拉強(qiáng)度為 1.11～1.32 MPa，平均 1.21 MPa；抗切強(qiáng)度為 2.00 MPa。以 1.0 m夾矸為界，將南區(qū)分為3個(gè)區(qū)域，區(qū)域一、區(qū)域二為1號煤層和 2號煤層夾矸厚度超過 1.0 m的區(qū)域，采用分層開采，區(qū)域三為1號煤層和2號煤層夾矸厚度小于 1.0 m的區(qū)域，采用合并層開采。

1 架型的確定

目前用于單一煤層開采的液壓支架主要有四柱支撐掩護(hù)式和兩柱掩護(hù)式2種支護(hù)形式[1-3]，而在選定架型時(shí)應(yīng)先明確液壓支架架型選擇的原則和支護(hù)強(qiáng)度的要求。

1.1 基本原則

架型選擇的原則：液壓支架的架型選擇主要考慮支護(hù)強(qiáng)度及工作阻力與工作面地質(zhì)條件相適應(yīng)，主體結(jié)構(gòu)與煤層賦存條件相適應(yīng)，支護(hù)斷面與通風(fēng)要求相適應(yīng)，結(jié)構(gòu)尺寸與運(yùn)輸條件相適應(yīng)[4-7]。

支護(hù)強(qiáng)度的要求：①能夠?qū)ぷ髅鎳鷰r進(jìn)行有效控制，防止煤壁片幫和端面頂板冒落，保證工作面安全生產(chǎn)[8-12]；②在一定的時(shí)間內(nèi)，能夠保證支架與采場圍巖關(guān)系的相對穩(wěn)定，液壓支架能夠經(jīng)受工作面頂板初次來壓和周期來壓考驗(yàn)，液壓支架工作阻力和結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度與工作面賦存條件相適應(yīng)；③保證支架對頂板有一定的“初撐力”，防止工作面頂板早期離層破碎，減小頂板的垂直位移量和水平位移量，減少控頂區(qū)頂板斷裂現(xiàn)象發(fā)生，并使來壓強(qiáng)度降低，避免因初撐力不足致使煤壁片幫和端面冒頂；④符合MT 554—1996《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》附錄中的對支護(hù)強(qiáng)度的最低要求[13]；⑤大傾角工作面支護(hù)強(qiáng)度的確定應(yīng)主要考慮頂板來壓、單個(gè)支架穩(wěn)定性、支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性3個(gè)因素。

1.2 四柱支撐掩護(hù)式支架

主要特點(diǎn)：①有兩排立柱，頂梁和底座較長，通風(fēng)斷面大，但整架運(yùn)輸尺寸較大，工作面開切眼寬度要求較大;②左右柱載荷有差別，特別是前、后柱載荷差別較大；③支架的伸縮值一般≤2.1，適應(yīng)煤層厚度變化的能力?。虎苤Ъ艿闹魏狭ψ饔命c(diǎn)距切頂線近，切頂能力強(qiáng)；⑤支架剛度較同缸徑兩柱掩護(hù)式液壓支架大，對堅(jiān)硬頂板工作面適應(yīng)性好；⑥底座對底板比壓均勻，底座前端比壓較小，便于移架；⑦前、后立柱升架動(dòng)作明顯，便于操作；⑧相對來說，四柱支撐掩護(hù)式支架對堅(jiān)硬頂板工作面適應(yīng)性好。

存在的主要問題：四柱支撐掩護(hù)式支架四柱受力不均。井下實(shí)測數(shù)據(jù)表明，四根立柱中有一根立柱不能充分發(fā)揮支護(hù)能力，支架整體支撐效率低。工作面仰采時(shí)，受直接頂冒落影響，頂梁合力作用力點(diǎn)偏向支架前方，前立柱受力較大，后立柱受力較小，若頂板破碎冒落充分，甚至?xí)霈F(xiàn)拔后柱現(xiàn)象；當(dāng)工作面俯采時(shí)，頂梁合力作用點(diǎn)偏向支架后方，后立柱受力較大。再就是整架重量大，造價(jià)高。

1.3 兩柱掩護(hù)式支架

主要特點(diǎn)：①支護(hù)能力強(qiáng)，頂梁相對較短，支護(hù)面積小，在相同工作阻力的條件下支護(hù)強(qiáng)度高；②支架伸縮比一般可達(dá)2.4以上，支架適應(yīng)煤層厚度變化能力強(qiáng)，早期該種架型一般用于破碎頂板及部分中等穩(wěn)定頂板，近年來，其適應(yīng)范圍也在逐步加大，也能較好地適應(yīng)堅(jiān)硬頂板；③支架結(jié)構(gòu)簡單，單排立柱支撐，操作動(dòng)作少，便于與電液控制系統(tǒng)配套，移架速度快；④采用整體頂梁，結(jié)構(gòu)簡單可靠，頂梁前端支撐力大，有利于保持梁端頂板的完整性，減少超前壓力作用造成的片幫和冒頂；⑤平衡千斤頂可調(diào)節(jié)合力作用點(diǎn)的位置，通過平衡千斤頂，調(diào)節(jié)支架頂梁對頂板的支撐合力及合力作用點(diǎn)的位置，提高支架對頂板的適應(yīng)性；⑥支架重量輕，投資少，搬家運(yùn)輸方便，較四柱支撐掩護(hù)式支架而言，可降低投資10%～15%；⑦底座前端對底板的比壓一般大于四柱支架，但是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可改善底座對底板比壓分布，如果配備抬底結(jié)構(gòu)，更有利于快速移架；⑧對頂板的適應(yīng)能力強(qiáng)。由于支架能經(jīng)常給頂板向煤壁方向水平推力，有利于維護(hù)頂板的完整。對圍巖適應(yīng)性強(qiáng)，對煤層變化較大的工作面適應(yīng)性強(qiáng)。

存在的主要問題：低位使用時(shí)易產(chǎn)生“高射炮”現(xiàn)象；支架底座前端比壓大，支架容易扎底；支架低位時(shí)支架性能較低，掩護(hù)梁背角小，掩護(hù)梁容易積矸，支架附加載荷大。

適用范圍：隨著支架工作阻力的提高，特別是支架頂梁前后比數(shù)值的優(yōu)化，目前兩柱掩護(hù)式支架基本上解決了“高射炮”現(xiàn)象，為該型支架大面積推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件。近年來的開采實(shí)踐表明，上述架型能夠較好地滿足大采高綜采工作面開采需要。

2 支護(hù)強(qiáng)度的確定

2.1 理論計(jì)算

直接頂厚度：理論計(jì)算的依據(jù)是將采場直接頂視為可變形介質(zhì)，根據(jù)采場直接頂承載能力的不同將其分為非承載區(qū)、承載區(qū)和弱承載區(qū)，認(rèn)為在采場支架與圍巖系統(tǒng)中，由于直接頂介質(zhì)的影響，支架阻力并不能限制基本頂(老頂)的最終位態(tài)，支架工作阻力和頂板下沉量的關(guān)系則是基本頂(老頂)給定變形條件下支架和直接頂作用的結(jié)果。頂板分類計(jì)算法是基于大量實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，制定的直接頂和基本頂分類標(biāo)準(zhǔn)，由于源于實(shí)踐，因此有較高的可信度。對于頂板為非難垮落巖層，由于煤炭采出的影響，其冒落帶的頂板巖層厚度可用式(1)進(jìn)行估算

h=M/Kp-1

(1)

式中，M—開采煤層厚度，m；Kp—直接頂垮落碎漲系數(shù)，一般取 1.25～1.4。

可知，若工作面最大采高為 6.2 m，根據(jù)上覆巖層碎脹充填程度的不同，冒落帶的頂板巖層厚度一般為 15.5～24.8 m，將其作為直接頂厚度。

基本頂初次來壓當(dāng)量：根據(jù)《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》(MT 554—1996)基本頂分級指標(biāo)計(jì)算公式計(jì)算基本頂初次來壓當(dāng)量

Pe=241.3ln(Lf)-15.5N+ 52.6hm

(2)

式中，Pe—基本頂初次來壓當(dāng)量，kN/m2；Lf—基本頂初次來壓步距，取36 m；N—直接頂充填系數(shù)，N=hi/hm，hi—直接頂?shù)暮穸?；hm—采高，取 6.2 m。

將上述各數(shù)值代入計(jì)算得，1 129

表1 基本頂分級指標(biāo)

表2 直接頂分類指標(biāo)

基本頂額定支護(hù)強(qiáng)度下限：按照《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》(MT 554—1996)，對于Ⅰ～Ⅳ級基本頂?shù)念~定支護(hù)強(qiáng)度下限Ps可用式(3)進(jìn)行估算

Ps=72.3hm+4.5Lp+78.9Bc-10.24N-62.1

(3)

式中，hm—采高，取最大采高 6.5 m；Lp—基本頂周期來壓步距，取36 m；Bc—控頂距，初步取5 m(頂梁長度+梁端距)；N—充填系數(shù)，N=hi/hm；hi—直接頂厚度，取 15.5～24.8 m。

將上述各數(shù)值代入公式計(jì)算可得出：Ps為900～916 N/m2，該計(jì)算結(jié)果表明，支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)不低于0.90～0.916 MPa。

2.2 支護(hù)強(qiáng)度校核

大傾角支架設(shè)計(jì)要對側(cè)護(hù)力和調(diào)架力進(jìn)行計(jì)算和校核。大采高大傾角礦壓顯現(xiàn)分區(qū)特征明顯，支架工作阻力呈現(xiàn)出中部較大、上部和下部較小的特征，來壓期間中上部區(qū)域煤壁片幫次數(shù)和范圍明顯增加。與一般采高大傾角煤層工作面相比，初次來壓與周期來壓步距均明顯減小，來壓強(qiáng)度則明顯增大。不同工作面位置需要的支護(hù)強(qiáng)度，如圖1所示，根據(jù)頂板下沉量得出干河煤礦大采高工作面合理支護(hù)強(qiáng)度為 1.2 MPa。不同工作面位置，通過觀測支架最大載荷和載荷變化區(qū)間，判斷支架穩(wěn)定性，如圖2所示。同時(shí)計(jì)算得出支架保持穩(wěn)定性需要的工作阻力、側(cè)護(hù)力和調(diào)架力。通過分析，得出干河煤礦大采高支架傾倒穩(wěn)定性需要的支護(hù)強(qiáng)度為1.0 MPa，支架滑移穩(wěn)定需要的支護(hù)強(qiáng)度為 0.9 MPa。

圖1 不同工作面位置需要的支護(hù)強(qiáng)度

圖2 不同工作面位置支架壓力受力分析

2.3 現(xiàn)場實(shí)測

實(shí)測結(jié)果：相鄰采區(qū)2-116工作面采用的液壓支架型號為ZY7800/18/37，支架的支撐高度為1.8～3.7 m，支撐強(qiáng)度為 0.84～0.92 MPa，工作阻力為7 800 kN。在開采 2-116工作面時(shí)，對頂板壓力進(jìn)行了監(jiān)測，實(shí)測工作面下端頭、上端頭及中部支架立柱壓力情況如圖3～5所示。

圖3 工作面下端處支架立柱下腔壓力

圖4 工作面上端處支架立柱下腔壓力

圖5 工作面中部支架立柱下腔壓力

實(shí)測結(jié)果分析：由圖可知，工作面上端處壓力較低，頂板來壓時(shí)，支架最大支撐力為9 420 kN(立柱下腔壓力為37.5 MPa)；工作面中部和下端壓力較大，頂板來壓時(shí)，立柱安全閥有開啟現(xiàn)象(開啟壓力設(shè)定為39.8 MPa)，說明工作面壓力已達(dá)到液壓支架工作阻力。觀測結(jié)果表明，工作面在未來壓時(shí)支架壓力在10～15 MPa左右，來壓時(shí)工作面壓力為25～35 MPa，最大壓力可達(dá)40 MPa；中部工作面來壓劇烈持續(xù)時(shí)間長，最長可達(dá)3 d，相比較下上部和下部來壓較緩并且持續(xù)時(shí)間短。來壓期間，液壓支架立柱壓力沒有大面積開啟，說明液壓支架工作阻力基本滿足了工作面支護(hù)需要。

2.4 參數(shù)確定

類比分析：根據(jù)類似條件礦區(qū)已采煤層，類比分析是確定支護(hù)強(qiáng)度的常用方法之一。類比分析是根據(jù)類似煤層賦存地質(zhì)條件，特別是周邊已開采地區(qū)類似煤層賦存地質(zhì)條件工作面礦壓顯現(xiàn)已揭露的情況，結(jié)合本地區(qū)(礦井)具體煤層賦存條件進(jìn)行對比分析。實(shí)踐表明，采用類比分析確定技術(shù)參數(shù)，是最為簡便可靠的一種方法。由于通過了生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)，因此其結(jié)論具有較高的參考價(jià)值。由表3可知，對于5 m左右采高的液壓支架，工作阻力一般多為8 000～10 000 kN，最大不超過10 500 kN，其中以10 000 kN的工作阻力最為集中。表3采集的數(shù)據(jù)雖然不多，但涉及到了淺埋深(伊泰喇二礦、神華萬利金烽)、“三軟”煤層(淮北祁南礦、陽泉寺家莊、鐵法大明)、千米埋深(淄礦唐口)等多種煤層賦存條件，很有代表性。

表3 近年開采所設(shè)計(jì)部分5 m采高液壓支架及使用情況

參數(shù)確定：通過采用理論分析礦壓觀測、類比分析等手段，綜合考慮干河煤礦大采高液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)不低于1.2 MPa，具體見表4。

表4 不同計(jì)算條件下的支護(hù)參數(shù)

3 液壓支架主要參數(shù)的確定

3.1 支架高度的確定

采高確定：實(shí)踐表明，大采高支架若采高不超過5.5 m，工作面煤壁片幫在可控范圍內(nèi)。一旦工作面采高超過6 m，則煤壁片幫問題嚴(yán)重，給工作面生產(chǎn)管理造成極大影響?；幢贝蟛筛呔C采和神火泉店大采高綜采都充分說明了該問題，因此將工作面最大采高控制在6 m左右比較合理。

支架結(jié)構(gòu)高度：最大煤厚6.2 m，要保證支架能夠在4～6 m支護(hù)性能，支架工作阻力應(yīng)不低于12 000 kN。而12 000 kN工作阻力的支架應(yīng)選用φ420 mm缸徑立柱，受立柱行程約束，支架結(jié)構(gòu)高度以2.8～6.5 m為宜。

3.2 支架中心距的確定

目前支架中心距主要有1.5 m、1.75 m、2.05 m，大采高支架多選用1.75 m中心距。對于兩柱掩護(hù)式液壓支架來說，為了布置立柱和推移桿等結(jié)構(gòu)件，當(dāng)支架工作阻力不超過7 600 kN，一般選用1.5 m中心距；當(dāng)支架工作阻力為7 600～13 000 kN，一般選用1.75 m中心距；當(dāng)支架工作阻力大于13 000 kN時(shí)，一般選用2.02 m中心距。相應(yīng)地，當(dāng)支架工作阻力為7 600 kN時(shí)，其支護(hù)強(qiáng)度一般為0.8～0.9 MPa；當(dāng)支架工作阻力為10 000～13 000 kN，其支護(hù)強(qiáng)度一般為1.1～1.4 MPa；當(dāng)支架工作阻力超過13 000 kN時(shí)，其支護(hù)強(qiáng)度一般在1.4 MPa左右。由前面計(jì)算可知，支架的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)不低于1.2 MPa。因此，中心距選用1.75 m比較合適。

4 結(jié)語

結(jié)合架型選定時(shí)的選擇原則和支護(hù)強(qiáng)度的要求，綜合考慮干河煤礦液壓支架使用情況，選擇ZY12000/29/65兩柱支撐掩護(hù)式液壓支架在二采區(qū)首采面的工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果理想。其總體參數(shù)、支護(hù)性能等各項(xiàng)指標(biāo)均較為理想，推移及抬底機(jī)構(gòu)、護(hù)幫機(jī)構(gòu)等新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提高了支架的可靠性。