軟煤層大采高工作面液壓支架適應(yīng)性分析

王衍學(xué)

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.華電山西能源公司，山西 太原 030006）

1 工作面概況

1301工作面為3采區(qū)首采工作面，東側(cè)為已掘的1102巷，北側(cè)為尚在掘進(jìn)的1302 工作面，南部和西部為實(shí)體煤。該工作面所回采煤層為山西組3＃煤層，通過實(shí)驗(yàn)室力學(xué)試驗(yàn)得知，該煤層自然抗壓強(qiáng)度為8.2～13.5 MPa，單向飽和抗壓強(qiáng)度為4.2～7.1 MPa；硬度系數(shù)為0.53～0.69，煤層中間較硬，上部和下部相對(duì)較軟；煤層主要為線理狀，層狀結(jié)構(gòu)，中部含有均厚0.35 m 的炭質(zhì)泥巖；回采范圍內(nèi)煤層厚度為3.5～5.6m，平均為4.5m；煤層傾角為1°～12°，平均為6.5°；工作面設(shè)計(jì)可采走向長(zhǎng)度為1024 m，傾斜長(zhǎng)度為180m，工作面煤層可采系數(shù)為1，變異系數(shù)為1.5，該工作面范圍內(nèi)煤層屬于穩(wěn)定可采厚煤層工作面。1301工作面頂板巖性較復(fù)雜，偽頂為均厚0.2m 的泥巖，泥巖斷口處清晰可見植物根莖化石；直接頂為均厚6.5m的深灰色炭質(zhì)泥巖，炭質(zhì)泥巖層理裂隙較發(fā)育，完整性和強(qiáng)度較低；基本頂為均厚12.3m 的灰黑色粉砂巖，粉砂巖偶見白色云母片；直接底為均厚2.3 m 的深灰色砂質(zhì)泥巖，砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度較低，遇水松軟膨脹；基本底為均厚4.5 m 的灰黑色粗粒砂巖，粗粒砂巖呈厚層狀，致密性較好，性脆。采場(chǎng)共收尾各布置ZT12000／28／62D 型端頭支架3臺(tái)，中間布置ZY12000／28／62D型液壓支架114臺(tái)。

2 工作面所需工作阻力計(jì)算

為了確定頂板壓力情況，采用類比法和頂板垮落重量估算兩種方式對(duì)1301工作面所需工作阻力進(jìn)行計(jì)算。

2.1 統(tǒng)計(jì)類比法

統(tǒng)計(jì)類比法是確定工作面支護(hù)阻力的重要方法，該理論基礎(chǔ)是支架所受載荷為支架上方頂煤和促使頂煤或頂板變形的巖層壓力共同作用〔1-2〕。根據(jù)工作面頂板每延米阻力計(jì)算公式（1）對(duì)頂板所需工作阻力進(jìn)行計(jì)算。

式中：Rh為采場(chǎng)支架延米載荷，kN／架；Lf為初次來壓步距，取26.0m；R為控頂距，取5.9m；M 為采高，取4.5m；L為支架中心距，取1.75m。

將上述各參數(shù)帶入公式（1），計(jì)算可得Rh=7289kN／架。

2.2 頂板垮落重量估算法

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算時(shí)，技術(shù)人員常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用工作面垮落的圍巖重量來進(jìn)行支護(hù)阻力的確定〔3-4〕。該方法是實(shí)質(zhì)是采場(chǎng)所需支護(hù)阻力不低于工作面垮落的巖層重量，計(jì)算見公式（2）。

式中：P為采場(chǎng)所需支護(hù)載荷，kN／架；Kd為動(dòng)載系數(shù)，取1.8；Q 為垮落巖層重量，kN／架；R 為控頂距，取5.9m；L為支架中心距，取1.75m。

對(duì)工作面垮落巖層重量進(jìn)行計(jì)算，Q=γh，γ=25kN／m3，h=M／（Kp-1），頂板巖層碎脹系數(shù)Kp=1.23，M 為煤層厚取4.5 m。將各參數(shù)帶入公式（2），可得P=9051 kN／架。

綜合上述兩種方式計(jì)算1301綜采工作面采場(chǎng)所需支護(hù)載荷，可知頂板所需支護(hù)阻力值為7289～9051kN／架，即液壓支架額定工作阻力應(yīng)不低于7289kN，根據(jù)所選用的ZY12000／28／62D型液壓支架參數(shù)可知，能夠滿足支護(hù)要求。

3 支架實(shí)際應(yīng)用情況分析

為了更好地了解ZY12000／28／62D 型液壓支架是否能夠滿足支護(hù)要求，對(duì)1301工作面采場(chǎng)的支架載荷進(jìn)行分析?，F(xiàn)根據(jù)采面實(shí)際情況，可在工作面布置5個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站布置2條測(cè)線，每條測(cè)線對(duì)應(yīng)1臺(tái)液壓支架，測(cè)站／測(cè)線布置見圖1。為了掌握液壓支架載荷變化情況，在測(cè)線對(duì)應(yīng)的支架上安裝各安裝1臺(tái)尤洛卡，該尤洛卡可實(shí)時(shí)對(duì)支架載荷變化進(jìn)行記錄，并可通過數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行采集和傳輸至計(jì)算機(jī)。

圖1 工作面液壓支架工作阻力測(cè)區(qū)測(cè)線布置

根據(jù)礦壓觀測(cè)結(jié)果可知，機(jī)頭部測(cè)區(qū)周期來壓步距為9.5～13.6m，平均為11.2m，支架平均載荷值為2345kN，為額定工作阻力的19.54%，最大載荷值為7501kN，平均動(dòng)載系數(shù)為1.5；上部測(cè)區(qū)周期來壓步距為7.4～13.6m，平均為10.7m，支架平均載荷為5897kN，為額定工作阻力的49.14%，最大支架載荷為11045kN，平均動(dòng)載系數(shù)為1.58；中部測(cè)區(qū)來壓步距為7.8～13.1m，平均為9.8m，支架平均載荷為3673kN，為額定工作阻力的30.61%，最大支架載荷為11036kN，平均動(dòng)載系數(shù)為1.72；下部測(cè)區(qū)來壓步距為7.6～12.1m，平均為9.89m，平均支架載荷為3625kN，為額定工作阻力的30.21%，最大支架載荷為10048kN，平均動(dòng)載系數(shù)為1.98；尾部測(cè)區(qū)來壓步距為6.9～17.4m，平均為11.32m，平均支架載荷為5623kN，為額定工作阻力的46.85%，最大工作阻力為7852kN，平均動(dòng)載系數(shù)為1.81。

對(duì)所測(cè)支架載荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并按照1000kN 區(qū)間范圍繪制成柱狀圖見圖2。由圖2可知，1301工作面所測(cè)支架平均載荷為4232kN，為額定工作阻力的35.27%，其中最大支架載荷為11045kN，為額定工作阻力的92.02%。支架載荷主要分布在1000～8000kN 范圍內(nèi)，約占尤洛卡記錄次數(shù)的71%，且在1000～8000kN 范圍內(nèi)分布較均勻，各區(qū)間所占頻率均分布在8%～12%范圍內(nèi)。觀測(cè)期間，未見有超出支架額定工作阻力情況，說明該型號(hào)液壓支架能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)要求，適應(yīng)性較好。

圖2 1301工作面支架載荷分布情況柱狀

4 結(jié)語

通過統(tǒng)計(jì)類比法和上覆巖層垮落重量估算法計(jì)算1301軟煤層大采高工作面所需支護(hù)載荷為289～9051 kN／架，采面所選用的ZY12000／28／62D 型液壓支架可滿足支護(hù)要求。通過工作面采場(chǎng)礦壓觀測(cè)，得知工作面支架平均載荷4232kN，為額定工作阻力的35.27%，最大支架載荷為11045 kN，為額定工作阻力的92.02%，均在ZY12000／28／62D型液壓支架額定工作阻力范圍內(nèi)。通過支架載荷分布情況可知，支架工作阻力主要分布在1000～8000kN 范圍內(nèi)，且分布較均勻。綜上所述，ZY12000／28／62D型液壓支架能夠滿足1301工作面支護(hù)需求。

〔1〕范韶剛，閆少宏，毛德兵，等.確定綜放支架工作阻力的統(tǒng)計(jì)類比法〔J〕.礦山壓力與頂板管理，2000，（4）：24-26.

〔2〕李洪彪.趙莊礦松軟煤層大采高工作面礦壓規(guī)律及圍巖控制研究〔D〕.太原：太原理工大學(xué)，2012.

〔3〕郭明星，趙 輝.大采高液壓支架選型及適應(yīng)性分析〔J〕.煤炭技術(shù)，2010，（12）：4-6.

〔4〕楊 沖.厚煤層大采高綜采工作面采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性研究〔J〕.北京：北方工業(yè)大學(xué)，2013.