大傾角綜放工作面液壓支架選型與適用性研究

郝兵兵

(西山煤電集團(tuán)公司， 山西 太原 030053)

1 礦井概況

西山煤電集團(tuán)公司馬蘭礦位于山西省古交市西南15 km，礦區(qū)南北長約6.9 km，東西寬約8.5 km，礦井面積約96.8 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力400萬t/a. 礦井開采采用斜井立井綜合開拓、走向長壁后退式一次采全高全部垮落法的綜合機(jī)械化采煤方法。礦井地質(zhì)構(gòu)造簡單，大部分煤層開采屬于緩傾斜或近水平開采，煤層厚度變化不大，頂板管理簡單，液壓支架選型比較容易，不同采區(qū)每層開采液壓支架的選型可利用原有支架的選型經(jīng)驗(yàn)。

馬蘭礦12503綜采工作面正常推進(jìn)530 m時(shí)，礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象比較明顯，煤壁剪切破壞現(xiàn)象增多，液壓支架明顯已不適合目前的開采狀況。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告可知，工作面繼續(xù)向前推進(jìn)時(shí)有一比較發(fā)育的褶皺，導(dǎo)致每層開采的傾角發(fā)生很大變化。為保證工作面順利推進(jìn)通過特殊的地質(zhì)構(gòu)造，必須對液壓支架重新進(jìn)行研究，選擇適用于該地質(zhì)條件的支護(hù)體系。

本文采用理論計(jì)算與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，對工作面遇到特殊地質(zhì)構(gòu)造條件每層傾角發(fā)生大的變化時(shí)工作面液壓支架的選型進(jìn)行研究，且通過在線監(jiān)測的方法，對液壓支架的適用性進(jìn)行分析，保證液壓支架的選型合理、安全。

2 礦井煤巖層地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)

馬蘭礦煤巖層共有9層，其中，12503綜采工作面開采厚度平均為3.6 m，遇到褶皺時(shí)煤層傾角可達(dá)55°. 煤巖層力學(xué)性質(zhì)見表1.

表1 煤巖層力學(xué)性質(zhì)表

3 液壓支架選型

3.1 支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算

3.1.1理論計(jì)算法

液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)根據(jù)支架工作阻力進(jìn)行，對于大傾角煤層工作面開采時(shí)支架的支護(hù)強(qiáng)度采用如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

Pt=9.81hρ/k

式中：

Pt—工作面合理的支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；

h—放頂煤開采時(shí)放頂高度，m，取13.4；

ρ—頂板平均密度，kg/m3，經(jīng)計(jì)算，取1 490；

k—工作面上覆巖層的采厚比，大傾角開采時(shí)可取1/3～1/2.

帶入數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算可知，工作面液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度為0.6 MPa.

3.1.2模擬試驗(yàn)

根據(jù)馬蘭礦12503綜采工作面的地質(zhì)條件，建立FLAC 3D數(shù)值模擬彈性模型，利用庫倫摩爾準(zhǔn)則，模擬開挖過程的應(yīng)力、應(yīng)變的變化，得出該模型下應(yīng)力的變化規(guī)律，結(jié)合此規(guī)律，模擬不同支護(hù)強(qiáng)度下頂板的位移變化，得出最優(yōu)的支護(hù)強(qiáng)度。

FLAC 3D數(shù)值模型參照表1，建立長800 mm×寬500 mm×高1 000 mm的模型，對綜放工作面開挖過程中應(yīng)力分布規(guī)律，以及采取不同支護(hù)強(qiáng)度下頂板位移的變化情況進(jìn)行研究，模型及應(yīng)力變化見圖1.

圖1 數(shù)值模擬模型圖

由圖1可知，模型開挖過程中應(yīng)力的分布為自上而下遞增。液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度對頂板下沉量的影響也呈線性關(guān)系，見圖2.

圖2 控頂區(qū)支架支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量的關(guān)系圖

圖2中，s為支架到綜放工作面的距離，當(dāng)支架的支護(hù)強(qiáng)度為0.7 MPa時(shí)，為保證工作面頂板實(shí)現(xiàn)有效控制又滿足開采工藝的技術(shù)要求，在距離工作面不同距離處，選擇支護(hù)強(qiáng)度為0.7 MPa的支架為12503綜采工作面最合理的支架。

3.2 支架初撐力選擇

支架若要較快發(fā)揮支撐作用，對頂板下沉量有明顯的控制，必須設(shè)置合理的初撐力，這樣有利于支架承受頂板來壓，防止煤巖層的離層，避免早期頂板下沉量較大，下沉速度較快。

支架初撐力F的計(jì)算可根據(jù)下式：

式中：

Lα—支架寬度，m，取1.35；

γ0—煤層平均密度，kg/m3，取1 400；

h—頂煤厚度，m，取13.4；

h1—直接頂厚度，m，取8；

γ—巖石密度，kg/m3,取1.54.

經(jīng)計(jì)算可知，初撐力F為3 801 kN.

3.3 支架技術(shù)參數(shù)選擇

根據(jù)馬蘭礦的實(shí)際地質(zhì)條件，結(jié)合相關(guān)技術(shù)參數(shù)，12503綜采工作面中部選用平頂山煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)的ZF3800/17/28型支撐掩護(hù)式液壓支架，支架高度為1.6～3.6 m可調(diào)，架體整體性較好，抗扭能力強(qiáng)，支架連桿間距為1.25 m，支護(hù)、推移、架設(shè)方便，人行通道比較寬敞，工作阻力為3 820 kN，支護(hù)強(qiáng)度為0.74 MPa，支架前端的伸縮梁長度達(dá)到0.7 m，可及時(shí)對暴露的頂板進(jìn)行支護(hù)，減少了頂板直接暴露的時(shí)間，安全性較高。液壓支架其他參數(shù)見表2.

表2 ZF3800/17/28型液壓支架其他技術(shù)參數(shù)表

4 液壓支架選型考慮的影響因素

液壓支架的架型選擇雖取決于工作面頂板條件，還需根據(jù)馬蘭礦實(shí)際水文地質(zhì)條件結(jié)合支架特性合理選型。

1) 煤層厚度。礦井煤層賦存厚度對支架的構(gòu)造、伸縮比及支護(hù)強(qiáng)度造成影響。煤層厚度超過2.5 m,頂板有側(cè)向推力或水平推力時(shí)，應(yīng)選擇抗扭能力強(qiáng)的支架,不宜選用支撐式支架。煤層厚度達(dá)到2.8 m以上，有片幫現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，應(yīng)選擇帶有護(hù)幫裝置的支撐掩護(hù)式支架。

2) 煤層傾角。煤層傾角的大小對支架的穩(wěn)定性造成直接影響。煤層傾角≤15°時(shí)應(yīng)帶有防滑裝置；煤層傾角≥18°應(yīng)同時(shí)帶有防滑、防倒和調(diào)架裝置。

3) 底板強(qiáng)度。支架選型時(shí)還應(yīng)結(jié)合工作面底板抗壓強(qiáng)度選型。根據(jù)支架底座構(gòu)造、合力作用點(diǎn)位置和支架對底板的比壓分布進(jìn)行選定。

4) 瓦斯含量。對于瓦斯涌出量大的礦井，支架選型時(shí)應(yīng)優(yōu)先選型通風(fēng)斷面大的支撐掩護(hù)式液壓支架，保證礦井的通風(fēng)需求。

5) 設(shè)備技術(shù)參數(shù)的匹配。綜采工作面液壓支架的選型還應(yīng)與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等設(shè)備的技術(shù)參數(shù)相互匹配。

5 適用性研究

馬蘭礦采用KJ21礦壓動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對12503綜采工作面的礦壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，采煤工作面推進(jìn)470～540 m時(shí)，對液壓支架的工作阻力進(jìn)行測量，并且繪制頻率分布直方圖，可得出支架工作阻力的分布呈正態(tài)分布形式，為比較合理的狀態(tài)，工作阻力分布圖見圖3.

圖3 支架工作阻力頻率分布直方圖

對正常回采時(shí)煤壁前方塑性區(qū)分布進(jìn)行分析可知，在0.74 MPa的支護(hù)強(qiáng)度下，煤壁前方塑性分布較合理，證明選擇的支架支護(hù)強(qiáng)度可滿足本工作面繼續(xù)開始的使用要求，工作面煤壁前方塑性分布圖見圖4.

圖4 煤壁前方塑性區(qū)分布圖

6 結(jié) 論

通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬對液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行分析，確定0.7 MPa左右的液壓支架支護(hù)強(qiáng)度比較合理，并根據(jù)地質(zhì)條件及煤層物理性質(zhì)，選擇了適用于12503綜采工作面的液壓支架。經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證，選擇ZF3800/17/28型液壓支架時(shí)支架工作阻力分布合理，煤壁前方塑性分布合理，有利于安全、高效、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。12503綜采工作面回采期間未發(fā)生液壓支架歪倒、擠架、咬架等問題,支護(hù)效果良好,有效預(yù)防了片幫冒頂?shù)陌l(fā)生,礦井的單產(chǎn)水平和開采效率顯著提升。該工作面的成功開采為大傾角大采高綜采放頂煤開采技術(shù)提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)保障。