師玉剛

（霍州煤電集團安監(jiān)局五人小組，山西 霍州 031400）

1 工作面概況

某礦綜放工作面屬于該礦五采區(qū)第二個工作面，位于+750 水平五采區(qū)三條上山左翼，北部為五采區(qū)邊界，南部為五采區(qū)三條上山，東部為實體煤，西部為正在回采的5-501 工作面。設(shè)計走向長度1 617 m，傾斜長度193 m，煤層厚度6.1 m。

5 號煤層賦存于石炭二疊系山西組，煤層節(jié)理發(fā)育，黑色，玻璃光澤，成分以亮煤為主，暗煤次之，含鏡煤條帶，為簡單結(jié)構(gòu)煤層，半亮煤，煤層中部有一層夾矸，夾矸為炭質(zhì)泥巖，煤層厚度變化不大，屬較穩(wěn)定煤層，夾矸總厚度約為0.8 m，由于泥巖普氏硬度f 為1.41～3.31，對回采影響不大。

2 液壓支架的選型設(shè)計

2.1 架型確定

1）液壓支架的架型選擇要求：支護強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)；支護斷面與通風要求相適應(yīng)；結(jié)構(gòu)尺寸與運輸條件相適應(yīng)。目前用于單一煤層開采的液壓支架主要有四柱支撐掩護式和兩柱掩護式兩種形式。

2）架型的選擇主要考慮四個因素：煤層厚度變化、支架搬家運輸、支護性能及其影響、支架操作及其控制。

最終，該工作面選用四柱支撐掩護式。

2.2 支架支撐高度的確定

支架的最大和最小結(jié)構(gòu)高度必須適應(yīng)煤層采高變化所要求的最大和最小支撐高度。支架的最大和最小支撐高度，應(yīng)根據(jù)煤層厚度的變化合理選擇，支架高度可由公式（1）、公式（2）計算：

式中：Hmax為支架最大結(jié)構(gòu)高度，m；Hmin為支架最小結(jié)構(gòu)高度，m；Mmax為煤層最大采高，取3 m；Mmin為煤層最小采高，取2.8 m；a 為考慮偽頂冒落后，支架仍有可靠初撐力所需要的支撐高度的補償量，取0.3 m；s 為頂板最大下沉量，取0.1 m；b 為支架卸載前移時，立柱伸縮余量，取0.2 m；c 為支架頂梁上存留的浮煤和碎矸厚度，取0.1 m。

代入數(shù)值計算得Hmax≥3.3 m，Hmin≤2.4 m。

根據(jù)生產(chǎn)實際經(jīng)驗，為防止偽頂冒落而引起支架頂空現(xiàn)象和一些難于預(yù)見的因素，最大結(jié)構(gòu)高度Hmax要在計算的基礎(chǔ)上，再考慮增加0.1～0.4 m的富裕量。確定支架的最低高度時還應(yīng)考慮到井下的允許運輸高度。

經(jīng)過經(jīng)驗公式計算可知，支架的最小支撐高度為2.4 m，最大支撐高度為3.3 m。

2.3 支架支護強度（工作阻力）的確定

從理論上分析，合理的支護強度應(yīng)正好與頂板壓力相平衡，支護強度的大小應(yīng)取決于工作面采場礦壓的大小。但由于目前對采場礦壓的大小還不能進行準確的定量計算，目前主要以經(jīng)驗法或?qū)崪y數(shù)據(jù)來確定支架的支護強度（工作阻力）。

2.3.1 采用經(jīng)驗公式計算支架的支護強度

式中：q 為支護強度，MPa；K 為作用于支架上的頂板巖石系數(shù)，取8；H 為采高，3 m；γ 為頂板巖石密度，取2.5×103kg/m3；g 為重力系數(shù)，取9.8 N/kg。將數(shù)值代入公式計算得q=0.605 4 MPa。

2.3.2 按支架承受載荷計算支架的工作阻力

式中：Q 為支架工作阻力，kN；N 為采高倍數(shù)，取8；H為工作面平均采高，取3 m；F 為支架支護面積，取11.42 m2；Z 為煤層頂板巖石容重，取2.5 t/m2；1.05為考慮的富裕系數(shù)。將數(shù)值代入公式計算得Q=7 050.70 kN。

2.3.3 按最大采高計算支架的工作阻力

式中：P 為承受壓力，kN；M 為工作面最大采高，取3 m。將數(shù)值代入公式計算得P=588 kN。

2.3.4 支架控頂面積公式

式中：S 為支架控頂面積，m2；L1為支架最大控頂距（頂梁長度+端面距+截深），取6.525 m；L0為支架寬度，取1.75 m。將數(shù)值代入公式計算得S=11.42 m2。

2.3.5 支架工作阻力公式

式中：Q'為要求的支架工作阻力，kN。將數(shù)值代入公式計算得Q'=6 715 kN。經(jīng)計算可知，支架立柱工作阻力Q'為6 715 kN。

2.3.6 按照Ⅰ～Ⅲ級老頂?shù)墓ぷ髯枇ο孪抻嬎?/p>

2.3.6.1 液壓支架支護強度下限公式。

式中：Ps為額定支護強度下限，kN/m2；Hm為工作面煤層采高，取3 m；L 為老頂周期來壓步距，取8 m；Bc為支架控頂距（頂梁長度+端面距），取5.725 m；N'為充填系數(shù)，取2.5。將數(shù)值代入公式計算得Ps=617 kN/m2。

2.3.6.2 液壓支架工作阻力下限公式

式中：Fs為支架工作阻力下限，kN/架；Sc為支架中心距，取1.75 m；Ks為液壓支架支護效率，取0.95。將數(shù)值代入公式計算得Fs=5 872 kN。

通過計算方式可知，取最大值得出工作阻力為6 715 kN。

2.4 支架型號的確定

根據(jù)本工作面頂?shù)装鍘r性、煤厚、礦壓、通風斷面等因素，確定本工作面選用ZF12000/22/35型放頂煤液壓支架，支架特征見表1。

由表1 可知，ZF12000/22/35型放頂煤液壓支架支護強度為1.14 MPa，能夠滿足工作面支架支護強度0.6276 MPa；ZF12000/22/35型放頂煤液壓支架支撐高度為2 200～3 500 mm，能夠滿足支架的最小支撐高度為2.6 m，最大支撐高度為3.5 m；故確定本工作面選用ZF12000/22/35型放頂煤液壓支架。

表1 液壓支架技術(shù)特征表

2.5 最大、最小控頂距

1）最大控頂距H大的計算

式中：H大為工作面最大控頂距，mm；L'1為支架前頂梁長度，5 325 mm；L' 為支架端面距，400 mm；L2為循環(huán)進度，800 mm。將數(shù)值代入公式計算得H大=6 525 mm。

2）最小控頂距H小的計算：

通過計算確定工作面最大控頂距為6 525 mm，最小控頂距為5 725 m。

3 液壓支架性能驗算

3.1 底板比壓

合理地選擇支架底座對底板的最大比壓（支架技術(shù)特征表中可查），是支架選型中一個很重要的指標，特別對于底板松軟的工作面更為重要，必要時應(yīng)進行測定和計算。計算公式如下：

式中：q'為支架底座的最小抗壓入強度，取3.7；K1為底板載荷集中系數(shù)，取1；K2為灑水影響系數(shù)一般為0.8～1.2，取0.8；qm為支架對底板的最大比壓，可由支架特征表查得，取3.3。代入數(shù)值計算得3.7＞2.64，能夠滿足要求。

3.2 頂板覆蓋率

支架頂梁對支護面積的覆蓋率為：

式中：δ 為覆蓋率；B 為頂梁寬度，取1.75 m；K1為支架間距，取0.1 m；L頂為頂梁長度，取5.325 m；C 為端面距，取0.4 m；K1為有側(cè)護板的支架取0.1 m。將數(shù)值代入公式計算得δ=87.8%。δ 覆蓋率應(yīng)符合頂板性質(zhì)的要求，一般不穩(wěn)定頂板不小于87%～95%；中等穩(wěn)定頂板不小于75%～86%；穩(wěn)定頂板不小于60%～70%。根據(jù)公式計算可知，覆蓋率為87.8%，屬于中等穩(wěn)定頂板，滿足現(xiàn)場實際情況。

4 液壓支架性能校核

4.1 按承壓校核

式中：Pc為額定支護強度下限，kN/m2；Lp為老頂初次來壓步距，取30 m。將數(shù)值代入公式得Pc=739 kN/m2≈0.739 MPa。

綜上所述，支架額定支護強度為0.739 MPa，小于支架支護強度下限1.14 MPa，因此所選用ZF12000/22/35型放頂煤液壓支架滿足支護要求。

4.2 按支撐高度與煤層厚度變化情況校核

所選用支架最大支撐高度為3.5 m，最小支撐高度為2.2 m，煤層平均厚度為3 m，故所選用支架符合煤層變化的需要。

5 結(jié)語

現(xiàn)此綜放工作面正在回采，根據(jù)目前的推進情況，ZF12000/22/35型放頂煤液壓支架支護強度完全能滿足需要，希望本文闡述的液壓支架選型設(shè)計能夠為煤礦的安全生產(chǎn)提供參考。