綜采面放頂煤液壓支架選型與參數(shù)確定研究

喬粉先

（山西省忻州市河曲縣煤炭服務(wù)中心，山西 河曲 036500）

1 13204工作面概括

麻地溝13號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，水平標(biāo)高為+969m，井田內(nèi)大部含3層夾矸，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。13204工作面煤層平均厚度10.95m，工作面采高為3.5m，放煤高度7.45m，采放比1：2.13。13204工作面位于二采區(qū)東部，西部隔25m煤柱為13203工作面采空區(qū)，南部到二采區(qū)回風(fēng)大巷，北部到本工作面切眼，東部隔18m煤柱為本礦礦井保護(hù)煤柱，上部8、9號(hào)煤層均不可采?；夭晒ぷ髅娌捎脙蓷l順槽，順槽采用錨網(wǎng)支護(hù)，回采工作面采用后退式開采。

13號(hào)煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，井田總體為一單斜構(gòu)造，地層總體走向NE，傾向NW，地層傾角10～30°。頂板巖性為泥巖、炭質(zhì)泥巖，厚度0.70～3.85m，平均1.5m，結(jié)構(gòu)面呈水平層理，裂隙較發(fā)育；頂板泥巖抗壓強(qiáng)度18.1～32.7MPa，抗拉強(qiáng)度為0.50～2.2 MPa。底板為泥巖、炭質(zhì)泥巖，厚度0.3～3.90m，平均1.30，結(jié)構(gòu)面呈水平層理，裂隙較發(fā)育；底板泥巖抗壓強(qiáng)度15.6～19.4MPa，13號(hào)煤層下部泥巖之下灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度69.0～88.9MPa，抗拉強(qiáng)度為0.3～7.2 MPa。13號(hào)煤層礦床為砂巖裂隙充水礦床，礦井水文地質(zhì)類型為中等類型，頂板為中等冒落的頂板。

2 13204工作面液壓支架選型與參數(shù)

2.1 初步選型

13204工作面液壓支架選型的出發(fā)點(diǎn)為綜放設(shè)備可靠性與國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的采用，同時(shí)還需滿足工作面具體條件，完成綜放設(shè)備的配套選型。因此液壓支架選型需遵循以下原則：架型與地質(zhì)狀況匹配，最大/最小支撐高度滿足工作面需求，可靠性滿足生產(chǎn)需求，斷面符合通風(fēng)要求，尺寸適應(yīng)礦井運(yùn)輸條件等。此外當(dāng)煤層厚度較大、硬度強(qiáng)時(shí)，液壓支架放煤口尺寸滿足頂煤對(duì)放煤空間的要求，且能上下擺動(dòng)，具備一定破煤能力。

隨著工作面推進(jìn)，放頂煤放出與采空區(qū)放煤量不同，使頂板形成分段來壓。放頂煤放出造成頂板合力作用點(diǎn)前移，進(jìn)而造成支架整體受力不均勻，并且頂板合力作用點(diǎn)前移超出應(yīng)力均衡點(diǎn)時(shí)，兩柱式液壓支架存在頂梁低頭的可能性。四柱式液壓支架合力作用點(diǎn)位置范圍更廣，但有效支護(hù)效率則相對(duì)較低。頂煤放出過程中，四柱式液壓支架頂梁較長(zhǎng)，會(huì)對(duì)頂煤造成多次反復(fù)支撐，使頂煤充分破碎，從而利于頂煤放出。考慮到13204工作面放頂煤與頂板特性，支撐掩護(hù)式液壓支架擁有更廣的適用范圍，且穩(wěn)定性高，因此為更好地適應(yīng)13204工作面中等冒落頂板與圍巖實(shí)際，從安全、高效生產(chǎn)的目的出發(fā)，液壓支架初步選型為四柱式支撐掩護(hù)式液壓支架。

2.2 參數(shù)確定

（1）中心距。結(jié)合麻地溝13204工作面地質(zhì)條件等因素，以及當(dāng)前我國常用液壓支架類型，液壓支架中心距選定為L(zhǎng)=1.5m。

（2）支護(hù)強(qiáng)度。液壓支架支護(hù)強(qiáng)度確定的影響因素眾多，包括頂板巖性、厚度與結(jié)構(gòu)，以及抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度。液壓支架支護(hù)強(qiáng)度的選擇對(duì)放頂煤安全開采具有決定性影響，支護(hù)強(qiáng)度過大，對(duì)控制頂板下沉量影響小，支護(hù)強(qiáng)度過小，則易導(dǎo)致頂板下沉嚴(yán)重而發(fā)生支架事故。13204工作面頂板主要為泥巖及炭質(zhì)泥巖，厚度0.70～3.85m，平均1.5m，結(jié)構(gòu)面呈水平層理，裂隙較發(fā)育。頂板泥巖抗壓強(qiáng)度 18.1～32.7MPa，抗拉強(qiáng)度為0.50～2.2 MPa?？紤]到13204工作面的實(shí)際情況，液壓支架強(qiáng)度確定采用估算法，具體如下：

式中：

P-液壓支架支護(hù)強(qiáng)度，MPa；

M1-13204工作面煤層平均高度，m；

M-機(jī)采采高，m；

γ1-煤層密度，t/m3；

γ2-巖層密度，t/m3；

α-煤層傾角，（°）。

結(jié)合13204工作面的綜合資料和相關(guān)估值，將數(shù)據(jù)帶入上式中，可得到液壓支架支護(hù)強(qiáng)度的范圍。

P={ 9.76×9.8×1.41·cos (20～60)+[(6～8)×3.5-9.76]×9.8×2.6·cos (20～60)}/1000

=0.42～0.59 （MPa）

（3）工作阻力。從13204工作面實(shí)際安全生產(chǎn)的要求出發(fā)，液壓支架工作阻力的計(jì)算方法有以下三種，結(jié)合計(jì)算結(jié)果，選擇數(shù)值最大的為液壓支架額定工作阻力的最小值。

方法二：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)回歸公式法，經(jīng)計(jì)算P2=7219kN；

因此，結(jié)合三種方法計(jì)算的最大值，以液壓支架結(jié)構(gòu)計(jì)算的參數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，確定13204工作面液壓支架工作阻力為9000kN。

（4）支撐高度。13204工作面最大機(jī)采高度為3.7m，為保證必要的作業(yè)空間，以及滿足便于頂板管理的要求，以及液壓支架與采煤設(shè)備的配套性，通過計(jì)算確定最大支撐高度的最小值，以及最小支撐高度的最大值。計(jì)算公式如下：

Hmax≥hmax+m1

Hmin≤hmin-m2-α-σa

式中：

Hmax與Hmin-分別為支架的最大、最小高度，m；

hmax與hmin-分別為工作面最大、最小采高，m；

m1-空頂或其他因素，取值300mm；

m2-支架上方頂板下沉量最大值，取值200mm；

α-支架移架所需最小可縮量，m；

σa-支架與頂板間浮矸，m。

經(jīng)計(jì)算，Hmax=3.7+0.3=4.0m，Hmin=2.7-0.2-0.05-0.05=2.4m。

（5）13204工作面支架布置架數(shù)。

式中：

L工-工作面長(zhǎng)度，取值180m；

L-液壓支架中心距，取值1.53m。

由此可知支架數(shù)量為118。為保證工作面上下順槽頭和設(shè)備機(jī)頭機(jī)尾的安全和維護(hù)，需在工作面與順槽連接的端頭加強(qiáng)支護(hù)，共6架，端頭端尾各3架，則中部布置112架基本液壓支架。

綜上所述，13204工作面選用ZF9000/24/40型放頂煤液壓支架，工作面端頭支護(hù)采用工作面支架配套的ZFG10800/24/38型過渡液壓支架。

3 液壓支架操作注意事項(xiàng)

13204工作面頂板不易管理，工程地質(zhì)條件的復(fù)雜程度屬中等，因此液壓支架在實(shí)際操作中可結(jié)合工作面推進(jìn)實(shí)際情況，當(dāng)?shù)V壓明顯增大時(shí)可適當(dāng)加大支護(hù)長(zhǎng)度和支護(hù)密度。在頂板管理時(shí)，隨著采煤機(jī)推進(jìn)，移架工作不能滯后采煤機(jī)滾筒大于5m；片幫板需隨支架同時(shí)移動(dòng)，無法收回時(shí)需保證牢固；頂板較為破碎時(shí)可采用承壓移架，當(dāng)煤壁片幫嚴(yán)重時(shí)需割一架拉一架。

當(dāng)選定液壓支架后通過驗(yàn)證理論計(jì)算，以及支護(hù)強(qiáng)度數(shù)值模擬研究，最終確定13204工作面選用ZF9000/24/40型放頂煤液壓支架，工作面端頭支護(hù)采用工作面支架配套的ZFG10800/24/38型過渡液壓支架。

4 結(jié)語

最終確定的ZF9000/24/40型放頂煤液壓支架對(duì)麻地溝煤業(yè)13204工作面煤層厚度與傾斜角具有良好的適應(yīng)性，且其提供的斷面空間符合13204工作面通風(fēng)要求，實(shí)現(xiàn)了工作面的快速推進(jìn)?？傊?，ZF9000/24/40型液壓支架在13204工作面的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了煤礦安全、高效、集約生產(chǎn)。