霍寶干河煤礦2-1052工作面支架選擇分析

來登峰

(山西霍寶干河煤礦有限公司 , 山西 臨汾 041602)

煤礦的巷道支架選型一直以來都是世界難題，針對此方面的研究成果數(shù)量眾多，國內(nèi)外學(xué)者針對工作面的支架選型做了大量工作。馮浩等[1]通過對斜溝煤礦3403工作面支架參數(shù)優(yōu)化，采用理論分析和工業(yè)試驗驗證合理性，從而實現(xiàn)快速安全掘進。張代詳?shù)萚2]通過對東灘煤礦3304工作面支護參數(shù)設(shè)計，結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗，使得采煤工作面變形得以控制。孫志勇等[3]對寺河礦西區(qū)W23013工作面進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)位移變形控制，提高經(jīng)濟效益的目的。楊啟楠等[3]針對新莊煤礦炮采工作面的支架參數(shù)改進問題，采用理論分析查出問題從而實現(xiàn)安全開采。

如何選取合理的技術(shù)參數(shù)是各大礦區(qū)普遍面臨的問題，本文針對霍寶干河煤礦2-1052工作面支架選型進行討論，為實現(xiàn)頂板的安全控制提供依據(jù)。

1 工程背景

2-1052工作面井下相對位置在一采區(qū)的左翼，西北側(cè)為F13斷層，西南側(cè)為一采區(qū)3條大巷，東北側(cè)為小河村保安煤柱邊界，東南側(cè)為下張端斷層。工作面地表位于工業(yè)廣場東南部，地表形態(tài)屬低山黃土丘陵，以黃土梁、垣特征，黃土沖溝發(fā)育，黃土覆蓋厚度42～113 m，基巖厚度279～475 m。其中2號煤層厚度為3.4～4.4 m，平均厚度4.2 m，傾角在2～10°，煤層頂?shù)装鍨槟鄮r、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，結(jié)構(gòu)松軟強度較低，遇水易崩解。2煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組(p1s)，光澤較暗，主要由暗煤和亮煤組成，屬半暗型煤。硬度和韌度較大，節(jié)理不發(fā)育，視密度為1.44 t/m3。

2 2-1052工作面支架選擇及主要參數(shù)計算

2.1 2-1052工作面支架支護強度與工作阻力確定

現(xiàn)行常用的工作阻力計算方法為采高容重法，根據(jù)礦山壓力的相關(guān)理論，工作面液壓支架需要能夠承受6～8倍采高的頂板巖石重量，霍寶干河2-1052工作面所處2號煤層具有結(jié)構(gòu)強度低，遇水易垮落的特點，取8倍采高的頂板巖石重量進行計算，具體如下：

2.1.1 支架的強度計算

P=KMγcosα×10-3

(1)

式中:P為支架的支護強度，MPa；K為影響系數(shù)，取K=8；M為煤層的最大采高，取M=4.5 m；α為煤層的傾角，取α=10°；γ為容重，取25 kN/m3。

將2-1052工作面參數(shù)帶入式(1)，計算可得：P=0.64 MPa。

2.1.2 支架的工作阻力計算

支架工作阻力確定現(xiàn)在采用控頂面積的方式來計算，其額定工作阻力F應(yīng)該滿足：

F=PBL/cosα

(2)

式中:L為液壓支架中心距，取L=1.85 m；B為控頂距，取B=5.5 m。將2-1052工作面參數(shù)帶入式(2)，計算可得：F=8 262 kN。

2.2 2-1052工作面支架支撐高度計算

合理的支架支撐高度能夠保證回采過程中工作阻力的有效發(fā)揮，霍寶干河煤礦2-1052工作面的最大煤厚為4.4 m，最小煤厚為3.4 m，支架應(yīng)滿足煤厚的要求，其高度計算如下：

σ2(G)表示G中兩個不相鄰的點的最小度和。2016年,文獻[9]中給出,若樹T滿足n2(T)≤n1(T),且樹的直徑為3或任意兩樹之一的直徑為4時,那么它的點可區(qū)別邊色數(shù)為n1(T)+1,否則它的點可區(qū)別邊色數(shù)為n1(T)。

2.2.1 支架的最大支撐高度計算

Hmax=Mmax+S1

(3)

式中：Mmax為工作面最大采高，取4.4 m；S1為支撐高度富余系數(shù)，取0.1 m。

2.2.2 支架的最小支撐高度計算

Hmin=Mmin-S2

(4)

式中：Mmin為工作面最小采高，取3.4 m；S2為頂板下沉量，取0.2 m。

將各項數(shù)據(jù)帶入公式(3)、(4)可得：2-1052工作面最大支撐高度和最小支撐高度為：Hmax=4.5 m、Hmin=3.2 m。

2.2.3 2-1052工作面支架架型選擇

支護強度的確定是支架選擇的關(guān)鍵因素，針對霍寶干河煤礦的地質(zhì)概況采用國家頂板分類統(tǒng)計法和采高倍數(shù)容重法來確定支架所需支護強度，最終實現(xiàn)2-1052工作面的安全高效開采。

根據(jù)地質(zhì)資料查明，頂板所處2號煤層的碎漲系數(shù)為1.2；2號煤層的預(yù)開采最大高度為4.5 m；頂板的平均密度取2.5 g/cm3;支架的合理支護強度為11.2 MPa。通過安全規(guī)程可確定基本頂為2級，從而可知2號煤的支護強度下限為q=623 kN/m2。最終確定2號煤層的支架支護強度應(yīng)大于0.64 MPa，出于安全考慮取為0.70 MPa。

綜上所述，結(jié)合礦上基本情況，2煤層支架阻力選擇為8 000 kN至12 000 kN可保證安全開采。對于支架的確定要滿足以下技術(shù)要求：支架高度為3.2～4.5 m，支護強度控制在0.7 MPa至2 MPa之間，工作面和2煤層條件下計算得到的工作阻力最大值為8 262 kN。根據(jù)以往支架選擇情況，2-1052工作面選用ZY9000/25.5/55型支架。

3 工作面液壓支架的布置

3.1 支架工作面布置

3.2 支架選型驗算

常用的驗算方法有按支架支護強度驗算以及按底板比壓驗算，這兩種方法與工程現(xiàn)場密切相關(guān)，可靠性較高。

1) 支架支護強度驗算法。首先確定支架的支護面積S，支架前梁接觸面長度與支架前梁接觸面長度的乘積計算得到7.26 m2;計算ZY9000/25.5/55型雙柱掩護式液壓支架支護強度為1.25 MPa。ZY13000/26/55型雙柱掩護式液壓支架的額定阻力Q=13 MN,計算可得其支護強度為1.65 MPa。ZY9000/25.5/55型支架強度大于支架控制強度0.7 MPa，ZY13000/26/55型亦大于其支架控制強度，所以支架強度驗算符合安全生產(chǎn)要求。

2) 底板比壓法。根據(jù)地質(zhì)資料可知地板的巖性基本上為泥巖，其抗壓強度為9.2～12.8 MPa，ZY9000/25.5/55型支架的底板抗壓強度為2.7～3.1 MPa。通過數(shù)據(jù)對比可知支架對底板的比壓強度遠(yuǎn)小于泥巖的抗壓強度，完全符合安全要求。

表1 2-1052工作面支架參數(shù)

綜上所示，支架強度驗算和底板比壓得出的結(jié)果證明支架選型符合要求，從而最終確定ZY9000/25.5/55和ZY13000/26/55型雙柱掩護式液壓支架作為2-1052工作面的支護設(shè)備。

4 工作面礦壓實測及分析

對2-1052工作面回采期間液壓支架工作阻力進行觀測，判斷選型是否合理。通過對15號、30號、45號、60號液壓支架阻力進行監(jiān)測分析，對得到的數(shù)據(jù)處理得出支架工作阻力曲線。2-1052工作面工作阻力曲線如圖1所示。

根據(jù)圖1，2-1052工作面回采期間15號支架工作阻力平均值為6 219.4 kN,最大值為6 988.1 kN，最大值與額定值之比為83.19%；30號支架工作阻力平均值為5 877.4 kN,最大值為7 017.6 kN，最大值與額定值之比為83.54%；45號支架工作阻力平均值為6 585.5 kN,最大值為7 0412.6 kN，最大值與額定值之比為88.23%；60號支架工作阻力平均值為6 677.6 kN,最大值為7 398.3 kN，最大值與額定值之比為88.08%，均在額定阻力范圍內(nèi)。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制工作面工作阻力曲線如圖2所示。

圖1 各支架工作阻力變化曲線

從圖中可以看出，在工作面推進35m左右時，出現(xiàn)初期來壓，支架的工作阻力為37 MPa，工作面推進60 m左右時，基本頂?shù)闹芷趤韷含F(xiàn)象明顯工作阻力為38 MPa，來壓步距為25 m。監(jiān)測期間內(nèi)其他來壓時間分別為推進86 m、112 m和137 m時，工作阻力分別為36 MPa、34 MPa和38 MPa，根據(jù)計算得出68根單體支柱的承載能力為85～112 MPa，故支架選型合理，滿足安全生產(chǎn)要求。

圖2 2-1052工作面工作阻力曲線

5 結(jié) 語

1) 支架高度為3.2～4.5 m，支護強度控制在0.7～2 MPa之間，工作面和2煤層條件下計算得到的工作阻力最大值為8 262 kN。根據(jù)以往支架選擇情況，2-1052工作面選用ZY9000/25.5/55型支架和ZY13000/26/55型液壓支架。

2) 實踐證明，ZY9000/25.5/55型支架和ZY13000/26/55型液壓支架對于工作面的頂板控制安全有效，可在有效承載范圍內(nèi)滿足安全生要求，實現(xiàn)頂板變形的有效控制。