四柱式液壓支架在薄基巖煤層工作面中的適應(yīng)性研究

何善龍 楊積海 桑延慶

（淮浙煤電公司顧北煤礦，安徽 淮南 232151）

1 工程概況

淮浙煤電公司顧北煤礦1512(3)工作面運(yùn)輸順槽和軌道順槽巷均沿煤層傾向布置。工作面回采上限標(biāo)高為-391m，下限標(biāo)高為-497m，工作面面長(zhǎng)195m；煤厚4.3～6.0m；采高2.8～4.5m；傾角3～7°，平均5°。因該礦與其類似條件的工作面1202（3）回采時(shí)出現(xiàn)整個(gè)工作面壓架現(xiàn)象，為了1512（3）工作面的回采安全，進(jìn)行了該面的支架選型研究并進(jìn)行了適應(yīng)性評(píng)價(jià)。

2 支架合理選型

2.1 工作面液壓支架工作阻力的數(shù)值計(jì)算分析

（1）數(shù)值模型的建立

為了確定工作面支架荷載情況，按工作面鉆孔柱狀及相應(yīng)巖層物理力學(xué)參數(shù)，采用FLAC3D建立模型進(jìn)行模擬，模型長(zhǎng)寬均為400m，高180m；工作面采寬定為195m，采高為5m，開挖步距20m，四柱式液壓支架通過(guò)梁、殼單元組合形成。具體結(jié)果如下圖1所示。

（2）結(jié)果分析

工作面內(nèi)部液壓支架工作阻力呈脈狀分布，即工作面中上部及中下部出現(xiàn)工作阻力最大值，單根立柱的阻力為2940kN，即整架工作阻力為11760kN，中部及兩端相對(duì)較低，工作面中部支架阻力為最大阻力的83.7%，兩端支架阻力為最大阻力的70.1%。具體如圖2所示（推進(jìn)到200m時(shí)）。

2.2 工作面液壓支架架型選擇

目前，液壓支架常用種類有支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式。

通過(guò)對(duì)各類型液壓支架的特點(diǎn)分析及結(jié)合淮南礦業(yè)集團(tuán)提高開采上限綜采工作面開采實(shí)踐，建議首采面選用四柱支撐掩護(hù)式液壓支架。

圖1 液壓支架運(yùn)行狀態(tài)圖

圖2 支架工作阻力圖

（1）液壓支架高度選擇

液壓支架為適應(yīng)煤層厚度變化達(dá)到一次采全高，煤層最大厚度為6.2m，最小厚度為4.3m，平均厚度為5.4m，煤層發(fā)育穩(wěn)定；本工作面回采高度2800～4500mm間變化，為保證工作面初采時(shí)的安全，確定液壓支架的最大高度為5.0m，最小高度為2.4m。

（2）工作阻力

液壓支架支護(hù)強(qiáng)度估算 (巖重法)：

按照煤層開采最大厚度進(jìn)行驗(yàn)算

式中：

N-支架載荷相當(dāng)采高巖重的倍數(shù)。中等穩(wěn)定頂板以下取6～8。

h-采高，取5.4m。

γ-頂板巖石密度，取2.5t/m3。

按1.75m寬支架計(jì)算

式中：

KD-動(dòng)載系數(shù)。取1.25～1.35；

F-支架的支護(hù)面積，取8.58m2（初選值）。

采用FLAC3D建立模型進(jìn)行模擬，結(jié)果如下：

當(dāng)工作面寬度為195m時(shí)，液壓支架最大工作阻力為11760kN。

綜上所述，該面選用ZZ13000/24/50型液壓支架。

3 支架適應(yīng)性分析

3.1 觀測(cè)方案設(shè)計(jì)

工作面采用KJ216/KJ653型煤礦液壓支架監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)定液壓支架工作阻力。在整個(gè)工作面布置13條測(cè)線，共裝26個(gè)壓力分機(jī)，依次分別為1#、3#、5#、10#、15#、20#、25#、30#、35#、40#、45#、50#、55#、60#、65#、70#、75#、80#、85#、90#、95#、100#、105#、110#、111#、113#支 架。 工作面推進(jìn)過(guò)程中支架工作阻力值連續(xù)自動(dòng)記錄在監(jiān)控主機(jī)中，其中前后柱壓力每五分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。

3.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

（1）來(lái)壓時(shí)工作面液壓支架平均工作阻力

根據(jù)監(jiān)測(cè)的工作面礦山壓力顯現(xiàn)特征，將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)生成如下表1所示。

表1 頂板來(lái)壓時(shí)工作面各部位液壓支架平均工作阻力變化(kN)

老頂初次來(lái)壓：

① 就老頂初次來(lái)壓前后支架的工作阻力而言，來(lái)壓前液壓支架的平均工作阻力為7150.7kN，來(lái)壓時(shí)工作阻力為10478.6kN，平均動(dòng)載系數(shù)為1.38，因此，1512(3)工作面屬初次來(lái)壓較為明顯的綜采工作面。

② 初次來(lái)壓時(shí)，液壓支架工作阻力9206～13016.3kN；55#支架的工作阻力最大，達(dá)到13016.3kN。

老頂周期來(lái)壓：

① 就老頂周期來(lái)壓前后液壓支架的工作末阻力增加而言，來(lái)壓時(shí)工作阻力為10478.6kN。

② 來(lái)壓前，各部位的靜荷載6565.3～7420.3kN；來(lái)壓時(shí)液壓支架動(dòng)荷載9111.3～13016.3kN，來(lái)壓前后液壓支架工作阻力分布表現(xiàn)為中間大兩端小。

（2）末阻力

按照作業(yè)規(guī)程規(guī)定，液壓支架安全閥開啟值前柱為42MPa，后柱為38MPa。前柱缸徑320mm，后柱缸徑230mm。1512(3)工作面末阻力統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，液壓支架循環(huán)末阻力分布頻率選第45#支架進(jìn)行分析，如圖3所示。

表2 液壓支架循環(huán)末工作阻力及利用率

圖3 45#支架循環(huán)末阻力統(tǒng)計(jì)直方圖

由圖3可知：45#液壓支架的循環(huán)末阻力在區(qū)間8000～12000kN的比例為67.67%，說(shuō)明末阻力大部分分布在額定值的附近區(qū)間里，說(shuō)明液壓支架選取較為合適。另外，循環(huán)末阻力小于8000kN的比例為27.04%。總的來(lái)說(shuō)45#液壓支架能夠滿足初次來(lái)壓和周期來(lái)壓的正常開采時(shí)期采場(chǎng)的頂板控制要求，45#液壓支架循環(huán)末阻力發(fā)揮程度較好。

（3）適應(yīng)性分析

1512（3）工作面選用的液壓支架型號(hào)為鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的ZZ130000/24/50型四柱支撐掩護(hù)式液壓支架。由采場(chǎng)礦壓觀測(cè)可知：

① 針對(duì)薄基巖工作面頂板破碎特性，四柱式液壓支架能夠有效支護(hù)頂板、保護(hù)煤壁，可以防止破碎頂板漏矸、煤壁片幫；回采期間液壓支架后柱平均工作阻力均大于前柱的平均工作阻力，減小了由頂板下沉而產(chǎn)生的作用在煤壁上的壓力，抑制了煤壁發(fā)生片幫的幾率。

② 液壓支架工作阻力13000kN，能夠抵抗工作面初次來(lái)壓及周期來(lái)壓時(shí)頂板對(duì)支架的作用力。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，初次來(lái)壓時(shí)，支架工作阻力為9206～13016.3kN；周期來(lái)壓期間：來(lái)壓前支架的平均工作阻力為7150.7kN，來(lái)壓時(shí)工作阻力為10478.6kN，可見ZZ130000/24/50型四柱支撐掩護(hù)式液壓支架能夠適應(yīng)1512（3）工作面安全開采需求。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)數(shù)值計(jì)算及巖重法綜合確定1512(3)液壓支架工作阻力為13000kN；

（2）來(lái)壓時(shí)末阻力平均值為10478.6kN，達(dá)到額定工作阻力的80.6%；

（3）四柱式液壓支架能夠有效控制頂板，回采時(shí)未發(fā)生漏頂現(xiàn)象，因此綜合得知ZZ130000/24/50型四柱支撐掩護(hù)式液壓支架能夠適應(yīng)1512(3)工作面安全開采需求。