李 勇

（西山煤電東曲礦，山西 古交 030200）

1 東曲煤礦28802 工作面概況

1.1 28802 工作面基本情況

28802 工作面位于麻坪嶺村東南部位的東曲煤礦，本文選用的八采區(qū)的8 號(hào)煤，煤層頂板到地面的垂直厚度是185～331 m。東北部是大巷保護(hù)煤柱；西北部是水平石門及大巷保護(hù)煤柱；西南部是八采邊界回風(fēng)巷；東南部是已采出煤礦的28804 工作面。位于上方位置的大部分2 號(hào)、4 號(hào)煤未采出。煤層距離4 號(hào)到8 號(hào)為82 m，8 號(hào)到9 號(hào)為5 m。8 號(hào)煤層組厚度范圍為4.2～6.6 m，平均厚度5.26 m；8 號(hào)上層煤層厚度范圍0.58～0.8 m，平均厚約0.62 m；8 號(hào)煤厚度范圍在3.2～4.5 m，平均厚約3.64 m；8 號(hào)上層煤層及8 號(hào)煤總厚度為4.26 m；8 號(hào)上層煤層與8 號(hào)煤之間既有分叉又有合并，8 號(hào)上層煤層與8 號(hào)帶廢渣煤層厚度在0.1～2.4 m，平均厚約1.0 m。煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

1.2 28802 工作面的地質(zhì)構(gòu)造

28802 工作面整體呈單斜構(gòu)造，有4 條寬緩巖石彎曲存在；皮順側(cè)距切眼461 m、軌順側(cè)距切眼484 m，皮順側(cè)距切眼739 m、軌順側(cè)距切眼715 m，有2 條褶曲為背斜，軸走向分別為126°～153°、135°；皮順側(cè)距切眼611 m、軌順側(cè)距切眼600 m，皮順側(cè)距切眼863 m、軌順側(cè)距切眼818 m，有2 條褶曲，向斜，軸走向分別為135°、109°～131°，對(duì)回采有一定影響。

1.3 28802 工作面的水文地質(zhì)

水文地質(zhì)情況：本工作面水文地質(zhì)條件中等。地表因上組煤回采造成的裂縫塌陷坑已填埋壓實(shí)，地面有樓栓溝、鐵磨溝穿過，為季節(jié)性河流，對(duì)回采無影響。8 號(hào)煤層上部有三層分別為L4、K2、L1 灰?guī)r含水層，富水性弱。該工作面直接頂為L1 灰?guī)r含水層，采煤過程中遇裂縫發(fā)育或揭露地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，可能會(huì)有淋水情況，應(yīng)做好排水工作。預(yù)計(jì)正常用水量為：2 m3/h，最大涌水量為：10 m3/h[1-2]。帶壓開采情況：工作面標(biāo)高為818～860 m，奧灰靜水位標(biāo)高為825～830 m，28802 皮順距切眼155 m、軌順距切眼199 m 范圍內(nèi)帶壓。突水系數(shù)為0.011 MPa/m，小于0.06 MPa/m，屬于帶壓相對(duì)安全區(qū)。上方采空區(qū)情況：該工作面上方2 號(hào)煤、4 號(hào)煤均大部分未回采，22101 工作面、24101工作面采空區(qū)西翼軌道巷煤礦聚集水全部排放完畢，4 號(hào)煤與8 號(hào)煤層間為82 m，對(duì)回采無影響。工作面范圍內(nèi)距切眼26 m 有一個(gè)煤田孔（D46），距切眼899 m 一個(gè)水文孔（水-108），鉆孔封孔良好，對(duì)回采沒有影響。

2 28802 工作面液壓支架設(shè)計(jì)

2.1 液壓支架的構(gòu)造

液體支架在煤礦開采、工作面支護(hù)過程中發(fā)揮著重要的作用，同時(shí)，構(gòu)造形式多種多樣。在工作面支護(hù)設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)支護(hù)面不同的特點(diǎn)選擇相應(yīng)的液壓支架。液壓支架由頂梁、立柱、掩護(hù)柱、活動(dòng)側(cè)護(hù)板、底座、推移裝置和控制系統(tǒng)組成[3-4]。

2.2 液壓支架的工作原理及設(shè)計(jì)要求

液壓支架通過高壓液體所產(chǎn)生的壓力來進(jìn)行支架的支撐，在這一過程中，需要有防止金屬黏結(jié)腐蝕的乳化液，在立柱升起的過程中推動(dòng)立柱，提供支撐力不斷增強(qiáng)增強(qiáng)支架的支撐力，直到與頂板產(chǎn)生的壓力相當(dāng)，通過安全閥將立柱固定，以保證支架能夠提供穩(wěn)定的支撐力，確保使用過程中的強(qiáng)度、剛度。液壓支架最首要的要求是具有穩(wěn)定性，對(duì)頂板壓力進(jìn)行及時(shí)支護(hù)及并保證底座不會(huì)陷落，同時(shí)還需確保前方的安全性，避免巖石冒頂造成局部脫落。液壓支架需要排出煤礦生產(chǎn)產(chǎn)生的廢渣，確保操作環(huán)境的安全性，要有良好的照明條件、能夠與外界保持好通訊、通風(fēng)狀況良好。液體支架要求對(duì)頂板、底座、接口都有良好的適應(yīng)性，安裝操作簡單、運(yùn)輸和維護(hù)成本低。

3 液壓支架主要參數(shù)的確定

3.1 液壓支架中支柱的高度

不同煤層有著不同的高度，為了適應(yīng)煤層的高度范圍，支架的高度需要具備一定的可調(diào)控性。支架高度的調(diào)控需要適度，調(diào)控范圍過大會(huì)降低支架的強(qiáng)度，但是支架調(diào)控范圍過低，不能滿足對(duì)不同煤層高度實(shí)現(xiàn)調(diào)控的需求。我們需要根據(jù)煤礦方提供煤層高度信息設(shè)計(jì)液壓支架中支柱的高度的調(diào)控范圍。下面是28802 工作面液壓支架支柱的高度設(shè)計(jì)范圍。

1）支柱最大高度

式中：Mmax為巷高，取4.0 m；b 為頂梁厚度，取0.1 m；c 為支柱的富裕行程，取0.2 m。將數(shù)值代入公式得Hmax=4.1 m。

2）支柱的最小高度

式中：Mmin為工作面開缺口處最小開采高度，為4.0 m；Δh 為頂板在最大支護(hù)梁和采礦寬度下的平均最大下沉量，取0.2 m；b 為頂梁厚度，取0.1 m；a 為支柱的富裕行程，取0.2 m。將數(shù)值代入公式得Hmin=3.9 m。

根據(jù)以上計(jì)算，本工作面選用DZ-42 型單體液壓支柱。液壓支柱的使用能夠降低礦井工人的工作強(qiáng)度，提高安全生產(chǎn)性能，解決不同硬度頂板的支護(hù)問題，實(shí)現(xiàn)煤炭資源的高效利用。

3.2 液壓支架中乳化液泵站參數(shù)設(shè)計(jì)

乳化液泵站為液壓支架提供動(dòng)力，科學(xué)合理的設(shè)備配套是工作面回采的重要依據(jù)。通過合理設(shè)計(jì)乳化液泵站的壓力、流量、功率、容積，可以為液壓支架選擇到合適的泵站，為液壓支架提供穩(wěn)定的動(dòng)力來源，確保液壓支架的高效工作，為28802 工作面提供了持續(xù)穩(wěn)定的乳化液，不會(huì)出現(xiàn)滲漏問題和故障現(xiàn)象，為工作面安全高效的生產(chǎn)活動(dòng)的進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。

3.2.1 根據(jù)液壓支架初撐力確定泵站壓力Pb1

式中：2 為系數(shù)；πD2/4 為液壓柱的底面積，p1為液壓支架初撐力，取6 410 kN；z 為架液壓支架立柱根數(shù)，取4；D 為支架立柱的缸體內(nèi)徑，取0.26 m。將數(shù)值代入公式得Pb1=42 MPa。

3.2.2 泵站流量Q

液壓支架中泵站流量為作用在工作面上立柱最大流量與千斤頂最大流量的總和，同時(shí)還要提供足夠能量確保液壓支架的快速移動(dòng)，泵站流量的計(jì)算如下：

式中：n1為移動(dòng)液壓支架時(shí)同時(shí)升降的立柱數(shù)，取2；n2為移動(dòng)液壓支架時(shí)同時(shí)伸縮的千斤頂數(shù)，n2=1×2=2；s1為移動(dòng)液壓支架時(shí)立柱的行程，取0.2 m；液壓支架中B 為移動(dòng)液壓支架時(shí)千斤頂?shù)男谐蹋?.7 m；F1為立柱環(huán)形腔的作用面積，取85 cm2；F2為液壓支架活塞的作用面積，取530 cm2；F3為推移千斤頂?shù)淖饔妹娣e，取113 cm2；L 為支架架間距，取1.75；vc為采煤機(jī)牽引速度，取0.24 m/min；t4為移動(dòng)液壓支架過程中的其他輔助時(shí)間，取0.2 min；η1為泵站容積效率，取0.9～0.92。

將數(shù)值代入公式得Q=19.9 L/min。

3.2.3 泵站功率N

式中：p 為泵站的額定壓力，P=42 MPa；η 為泵站的效率，η=0.9。

將數(shù)值代入公式得：N=152 kW。

3.2.4 泵站乳化液箱容積V

按泵站工作流量選擇容積為：

式中：Q0為從液箱箱底流過吸液口液面最低處時(shí)的流量，取150～200 L。將數(shù)值代入公式得V1=209 L。

泵站停止工作時(shí)，軌道順槽液管回流的全部流量：

式中：d1，d2分別為主進(jìn)管、回液管的內(nèi)徑，均取5 cm；L1，L2分別為主進(jìn)管、回液管的長度，均取3 500 cm。將數(shù)值代入公式得V2=347 L。

煤層厚度變化時(shí)，液壓支架立柱發(fā)生伸縮變化，發(fā)生變化過程中需要的流量：

式中：D 為立柱缸體內(nèi)徑，取26 cm；h 為煤層厚度變化量，取100 cm；n 為每架支架的立柱數(shù)，取4；z1為同時(shí)動(dòng)作的支架數(shù)，取2 cm。將數(shù)值代入公式得V3=212.2 L。

乳化液箱容積V=V1+V2+V3=768.2 L。

因?yàn)椴擅焊叨炔煌?，液壓支架?huì)發(fā)生變化，乳化箱要求能夠滿足液壓支架變化所需要的乳化液量，同時(shí)還需要容納流進(jìn)液體和回流液體，保證足夠容積。因?yàn)槊簩幼兓淮?，采煤高度?dǎo)致液壓支架變化需要的乳化液量可以忽略。所以，本文選擇的液壓泵為BRW200/31.5 型，選擇的乳化液箱為XR-WS800，選擇的乳化液輸液管為Φ38 mm 高壓管。

4 28802 工作面的錨桿加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

4.1 錨桿支護(hù)的原因

在煤礦巷道施工過程中，因?yàn)閬碜灾車V山頂部、底部和側(cè)部的礦壓作用于礦道可能會(huì)導(dǎo)致巷道的坍塌而導(dǎo)致采礦工人的死亡，在支護(hù)設(shè)計(jì)的過程中，需要根據(jù)工作面的不同地質(zhì)條件進(jìn)行適宜的支護(hù)設(shè)計(jì)，同時(shí)還需要必要的強(qiáng)化工作面支護(hù)的措施，確保采礦工人的生命安全。根據(jù)工作面的斜矩形形狀我們選擇錨桿加強(qiáng)支護(hù)。錨桿支護(hù)可以在礦山內(nèi)部對(duì)巖石進(jìn)行加固，形成一個(gè)一體化承載結(jié)構(gòu)，充分利用巖石穩(wěn)定性和承載能力防止巖石的變形，保證巷道的穩(wěn)定，提高工作面的進(jìn)行效率。

4.2 錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)

4.2.1 錨桿長度

式中：KH為安全系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)值取2；L1為錨桿到達(dá)穩(wěn)定巖層的錨桿深度，經(jīng)驗(yàn)值取0.6 m；L2為錨桿在巷道中的裸露長度，經(jīng)驗(yàn)值取0.1 m。

將數(shù)值代入公式得LL＝2.7 cm。

4.2.2 錨桿固定處與巖石結(jié)合力的確定

錨桿的錨桿固定處與巖石結(jié)合力大于或等于懸掛中的不穩(wěn)定巖層的重量，按下式計(jì)算：

式中：Q桿為錨桿錨桿固定處與巖石結(jié)合力，kN；K1為安全系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)值為2～3；a桿1為錨桿之間間距，經(jīng)驗(yàn)值為0.92 m；a桿2為錨桿排距，經(jīng)驗(yàn)值為1 m；γ為易墜落巖石的平均重力密度，取25 kN/m3。

將數(shù)值代入公式得：Q桿=9.2 kN。

4.2.3 錨桿的直徑

根據(jù)錨桿桿體承載力與錨桿固定處與巖石結(jié)合力等強(qiáng)的原則，按下式計(jì)算：

式中：d桿為錨桿直徑，m；σs為錨桿桿體的屈服極限，礦選用HBR335 螺紋鋼錨桿屈服極限取335 MPa（1 MPa=1 000 kN/m2）。

將數(shù)值代入公式得d桿=0.018 m。

5 結(jié)語

28802 工作面的支護(hù)設(shè)計(jì)包含嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算過程，要結(jié)合煤層高度特點(diǎn)、地質(zhì)情況、工作面形狀等諸多因素進(jìn)行綜合分析設(shè)計(jì)，確保工作面的穩(wěn)定性和安全性，保障煤礦高效有序的開采，促進(jìn)煤礦企業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。