史 帆

（山西高平科興牛山煤業(yè)有限公司， 山西 高平 048400）

引言

隨著綜采工作面的不斷推進(jìn)，工作面頂板的直接頂會(huì)出現(xiàn)斷裂和冒落的情況，從而對(duì)綜采工作面的煤壁和液壓支架造成動(dòng)壓作用。由于工作面推進(jìn)所導(dǎo)致的老頂斷裂在對(duì)煤壁造成沖擊的同時(shí)，也會(huì)對(duì)液壓支架造成沖擊，從而液壓支架的支護(hù)性能提出了更高的要求。因此，為綜采工作面選擇合適工作阻力的液壓支架，對(duì)于保障安全生產(chǎn)具有重要意義。而液壓支架的選型必須結(jié)合綜采工作面的地質(zhì)、煤層以及礦壓規(guī)律等條件綜合確定[1]。本文將以工程實(shí)例為基礎(chǔ)完成綜放液壓支架的選型，并確定其工作阻力。

1 3 號(hào)煤層工程概況

本文以靈泉礦井為例開(kāi)展研究，該煤礦可開(kāi)采的煤層共13 層，煤層的總厚度約為48.63 m；具體以其中的3 號(hào)煤層所屬工作面為例開(kāi)展系列研究。3 號(hào)煤層所屬工作面煤層平均厚度為13.09 m，煤層最大厚度為24.35 m、最小厚度為3.95 m；煤層的傾角范圍為2°～8°；從整體上看，該工作面煤層結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定且層理節(jié)理發(fā)育。該煤層的頂板以細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，具有較強(qiáng)的透水性，呈現(xiàn)相對(duì)松散且易碎的狀態(tài)；底板以粉砂巖和泥質(zhì)砂巖為主，透水性較差且呈現(xiàn)不良的膠結(jié)狀態(tài)。

目前，3 號(hào)煤層采用走向長(zhǎng)壁綜采放頂采煤技術(shù)，對(duì)應(yīng)的采煤工藝參數(shù)如下：煤層的截割高度為3 m，放頂煤的厚度為6.5 m，采煤機(jī)采用斜切進(jìn)刀工藝開(kāi)始截割任務(wù)，對(duì)應(yīng)的放煤步距為1.6 m。為保證所選擇的液壓支架完全適用于3 號(hào)煤層綜采工作面，應(yīng)結(jié)合該工作面液壓支架的工作現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

2 液壓支架工作現(xiàn)狀分析

工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律可直觀表現(xiàn)礦山壓力，可對(duì)所選型液壓支架的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)可指導(dǎo)礦山生產(chǎn)的其他活動(dòng)[2]。本工程采用支架壓力記錄儀對(duì)當(dāng)前工作面的液壓支架的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)方案如下：在綜采工作面上、中、下3 個(gè)位置分別布置3 條監(jiān)測(cè)線，每條監(jiān)測(cè)線上配置兩臺(tái)支架壓力記錄儀。

2.1 液壓支架初撐力分析

液壓支架初撐力決定設(shè)備能夠達(dá)到工作面頂板的支護(hù)要求，直接影響液壓支架對(duì)綜采工作面頂板支護(hù)安全性。當(dāng)液壓支架初撐力過(guò)小時(shí)容易導(dǎo)致工作面出現(xiàn)離層現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致工作面出現(xiàn)切頂?shù)氖鹿?；?dāng)工作面頂板來(lái)壓對(duì)液壓支架造成較大的沖擊，則會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生；同時(shí)，初撐力過(guò)小也會(huì)影響最終礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。不同位置液壓支架的平均初撐力統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

表1 液壓支架初撐力統(tǒng)計(jì)結(jié)果 kN

通過(guò)分析表1 可知，當(dāng)前所配置液壓支架的平均初撐力僅為2 722.9 kN，占據(jù)液壓支架額定初撐力的36.8%。由此說(shuō)明，工作面大部分液壓支架的初撐力還未達(dá)到額定初撐力的要求。因此，為保證礦山壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和液壓支架工作面的支護(hù)效果，應(yīng)適當(dāng)提升每個(gè)液壓支架的初撐力。

2.2 液壓支架工作阻力分布情況

結(jié)合液壓支架工作阻力在不同區(qū)間內(nèi)占比可對(duì)工作面所有液壓支架的工作性能和頂板的沖擊程度進(jìn)行綜合評(píng)估。從理論上講，液壓支架工作阻力的最佳發(fā)布形式為正弦波形式。本工作面液壓支架工作阻力分布情況如表2 所示。

表2 液壓支架工作阻力分布情況

從整體上分析，工作面液壓支架工作阻力能夠基本滿足實(shí)際生產(chǎn)的支護(hù)要求。但是，當(dāng)工作面面臨更大的負(fù)荷時(shí)，當(dāng)前液壓支架將無(wú)法勝任。

通過(guò)對(duì)當(dāng)前工作面液壓支架的支護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，針對(duì)其礦壓規(guī)律可總結(jié)如下：

1）當(dāng)前液壓支架的受力情況不良，容易導(dǎo)致綜采工作面出現(xiàn)片幫和冒頂?shù)膰?yán)重事故。

2）經(jīng)實(shí)測(cè)，3 號(hào)煤層所屬工作面的基本頂?shù)闹芷趤?lái)壓的最大步距為17.8 m、最小步距為6.7 m；3 號(hào)煤層所屬工作面來(lái)壓期間的平均動(dòng)載系數(shù)為1.54；說(shuō)明該工作面的來(lái)壓較為頻繁且來(lái)壓較為劇烈[4]。

3）當(dāng)前工作面液壓支架的初撐力普遍未達(dá)到額定初撐力的要求，導(dǎo)致液壓支架支護(hù)效果偏差。

4）雖然當(dāng)前液壓支架工作阻力能夠基本滿足當(dāng)前生產(chǎn)要求，但是其富余系數(shù)不滿足可持續(xù)生產(chǎn)的要求。

3 液壓支架的選型及其支護(hù)強(qiáng)度和工作阻力的確定

為解決當(dāng)前3 號(hào)煤層所屬工作面液壓支架在實(shí)際支護(hù)過(guò)程中所面臨的問(wèn)題，本節(jié)將通過(guò)合理、科學(xué)確定液壓支架的形式和工作阻力兩方面解決上述問(wèn)題。

3.1 液壓支架的選型

綜合考慮所選型液壓支架的通風(fēng)、行人空間、成本、可靠性、放煤空間等綜合性因素，并結(jié)合3 號(hào)煤層所屬工作面的地質(zhì)、巷道形狀等實(shí)際情況，本文工程采用雙輸送機(jī)四柱式插板正四連桿低位放頂煤支架[5]。

3.2 液壓支架支護(hù)強(qiáng)度和工作阻力的確定

3.2.1 支護(hù)強(qiáng)度的確定

針對(duì)液壓支架支護(hù)強(qiáng)度，本節(jié)將采用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行確定。首先，根據(jù)3 號(hào)煤層所屬工作面的實(shí)際情況建立模型，分別對(duì)液壓支架不同支護(hù)強(qiáng)度下的頂板下沉量和煤壁在水平方向的最大位移量進(jìn)行對(duì)比。仿真結(jié)果如表3 所示。

表3 不同液壓支架支護(hù)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)圍巖的控制效果

由表3 可知，隨著液壓支架支護(hù)強(qiáng)度的增加對(duì)應(yīng)頂板的下沉量不斷減小，減小趨勢(shì)逐漸變緩；當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度為0.1～0.6 MPa 時(shí)，隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加對(duì)應(yīng)煤壁水平位移減??；當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度為0.8～1.4 MPa 時(shí)，工作面煤壁水平位移幾乎不變。因此，綜合分析將液壓支架支護(hù)強(qiáng)度確定為1.0 MPa。

3.2.2 工作阻力確定

工作阻力的確定根據(jù)式（1）計(jì)算所得：

式中：P 為液壓支架工作阻力；q 為液壓支架支護(hù)強(qiáng)度，取 1 MPa；Lk為空頂距，取 0.4 m；LD為液壓支架頂梁長(zhǎng)度，取4.75 m；B 為液壓支架中心距，取1.5 m；Ks為液壓支架支撐效率，取0.92。

將上述參數(shù)代入式（1）得出，滿足實(shí)際生產(chǎn)的液壓支架工作阻力設(shè)定大于8 070 kN。因此，將液壓支架工作阻力圓整為8 100 kN。

4 結(jié)語(yǔ)

液壓支架為綜采工作面的主要支護(hù)設(shè)備，液壓支架與工作面的匹配性直接決定對(duì)綜采工作面頂板和兩幫圍巖的控制效果，進(jìn)而影響綜合機(jī)械化生產(chǎn)的安全性和效率。本文以3 號(hào)煤層所屬工作面為例，在對(duì)當(dāng)前液壓支架工作參數(shù)現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，對(duì)液壓支架的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并總結(jié)如下：

1）當(dāng)前液壓支架主要表現(xiàn)為支護(hù)強(qiáng)度余量不足、初撐力不滿足要求的問(wèn)題；

2）結(jié)合3 號(hào)煤層所屬工作面實(shí)際情況，最終確定液壓支架支護(hù)強(qiáng)度為1.0 MPa，工作阻力為8 100 kN。