邢玉龍

（晉能控股煤業(yè)集團物流有限公司，山西 大同 037000）

1 立項背景

國內(nèi)許多煤礦面臨著特厚煤層開采問題，應(yīng)用現(xiàn)有液壓支架無法解決此類煤層開采問題。井工開采煤層厚度在10 m以上的煤層稱為特厚煤層。為了保證開采時的安全問題，必須考慮液壓支架的支護強度，同時才可實現(xiàn)高產(chǎn)能目標(biāo)。

2 支架支護強度的確定

要想解決好控制工作面頂板問題，同時也要保證采煤回采工藝的現(xiàn)實要求，必須確定液壓支架支護的強度。此項目對煤礦工作面頂板的類型、構(gòu)造及周圍巖石都有著特定的要求，所以必須考慮頂部煤炭的厚度、硬度，同時也必須考慮頂部煤炭和工作面頂板情況，針對以上問題提出力學(xué)方面的計算，得到如下計算結(jié)果：

2.1 放頂煤支架工作阻力統(tǒng)計回歸法

通過當(dāng)?shù)囟鄠€煤礦的實測，并結(jié)合網(wǎng)上數(shù)據(jù)的對比進行歸納總結(jié)，確定了支架最大載荷Pmax、煤層硬度系數(shù)f、采煤深度H以及煤礦頂煤厚度Md，得到確定工作阻力的關(guān)系式：

工作面埋深410 m，煤層硬度系數(shù)2～4（此處取4），頂煤厚度10 m。

將數(shù)據(jù)代入式（1），計算得Pmax=4 740.5 kN（對應(yīng)支護強度約0.63 MPa）。

2.2 依照現(xiàn)在較為常用的巖石容重法

式中：qz為煤礦液壓支架的動載支護強度，kN/m2；Kd為煤礦液壓支架的動載系數(shù)，查閱資料取Kd=1.6；M為一次采煤的厚度，查閱資料取M=10.6 m；Kp為頂部矸石掉落碎脹系數(shù)，查閱資料取Kp=1.35；γ為煤礦頂板巖石平均容重，查閱資料取γ=26 kN/m3。

將數(shù)據(jù)代入式（2），計算得qz=1 260 kN/m2。

式中：P為煤礦液壓支架的工作阻力，kN；LK為液壓支架頂梁端距，取0.340 m；LD為液壓支架頂梁長度，取5.315 m；B為液壓支架寬度，取1.75 m。

將數(shù)據(jù)代入式（3），計算得P=12 469 kN。

2.3 依據(jù)頂煤斷裂角確定

式中：H1為巖石層的厚度，m，對煤礦液壓支架有直接影響，H1=（L+h1/tanα）tanθ；L為合理有效控制頂部距離，取5.655 m；h1為煤層頂部厚度，取10.23 m；α為頂部煤層斷裂角，一般為70°～120°，取70°；θ為煤層頂板斷裂角，一般為60°～65°，取60°；γ1為頂部煤炭的容積重量，取14.3 kN/m3；γ2為煤層頂板巖石的容積重量，取26 kN/m3；qz1為液壓支架的承受動載支護強度；k為液壓支架承受動載備用系數(shù)，煤層頂部Ⅱ級以上的，一般取1.5～2.0，現(xiàn)取1.5。代入數(shù)據(jù)計算得qz1=406.818 kN/m2。

式中：P為液壓支架承受的工作阻力，kN；ηs為液壓支架的支護效率75%。代入數(shù)據(jù)計算得P=5367.96kN。

2.4 煤層頂板結(jié)構(gòu)分析法

煤層頂板結(jié)構(gòu)分析是建立在液壓支架承受工作阻力構(gòu)成分析基礎(chǔ)上的，此類方法計算是應(yīng)用煤礦井下工作面的液壓支架頂部所承受的工作阻力及載荷，同時要平衡頂部不穩(wěn)定時對液壓支架的動態(tài)載荷，液壓支架支護強度q計算公式為：

式中：Kd為平衡頂部不穩(wěn)定時的動載系數(shù)，一般取1.1～1.8，由于煤層動載系數(shù)較大，為確保安全，取Kd=1.5；qd為頂部自重應(yīng)力；qc為液壓支架上方頂部煤炭的自重應(yīng)力。

上式中，qd=Pdgh，qc=Pcgh2。其中：Pd為煤層工作阻力，取2 500 kN；h為巷道煤層高度，，M為一次采出煤層的厚度（根據(jù)工作面實際地質(zhì)情況，取煤層厚度為12 m），C1為直接頂松散系數(shù)（取1.3）；Pc為巖石工作阻力，取1 300 kN；h2為巖石層高度，h2=煤層厚度-巖石厚度=12-3.2=8.8 m。

代入數(shù)據(jù)計算得q=1.34 MPa。

此方法最終確定的支架合理支護強度為1.34 MPa。最終確定的支架支護強度為1.34 MPa。

煤礦液壓支架承受載荷（見圖1）的計算：放頂煤時，煤層放頂煤形成的Q1橢球體空間，同時代替此空間的是Qs區(qū)域內(nèi)松動后膨脹的煤炭巖石，支架頂梁（AB面）直接承受了Q1橢球體空間產(chǎn)生力，同時間接支撐了Qs區(qū)域產(chǎn)生的力，從而阻止了橢球體外的煤巖運動，保證了高于松動CD面（橢球體Qs區(qū)域上方）的煤炭巖石層暫時性不會發(fā)生變化或斷裂，承受了高度為H的煤巖的重量。

圖1 液壓支架承受載荷圖

式中Ks為第二次煤炭巖石松散膨脹系數(shù)，Ks=1.3。

如果煤炭和巖石的實體容積重量分別為γ1、γ2，則每平米控制頂部面積的平均載荷為：

將前式代入上式，得：

按照現(xiàn)實存在的問題，頂部壓力不均勻，求出的P2值只是理論數(shù)值，所以應(yīng)乘以系數(shù)Ky，Ky一般取1.5～2.0，則支架額定支護強度為：PH=Kyp。

根據(jù)現(xiàn)有的煤礦井下工作面數(shù)據(jù)進行取值，煤炭巖層厚度h'=14.13 m，機械采掘高度h1=3.9 m，則：

取Ky=1.6，則PH=KyP=1.6×348.6≈0.5578MPa。

3 結(jié)論

依照計算出的結(jié)果，可選ZF15000/27.5/42放頂煤液壓支架解決10 m以上特厚煤層礦井開采工作阻力問題，從而達到很好的支護強度，滿足工作面要求[1-3]。