斜溝煤礦放頂煤工作面液壓支架選型

宋 曉

(山西西山晉興能源公司 斜溝煤礦,山西 呂梁 033600)

液壓支架作為維護(hù)及承載工作面開采空間的重要支撐體，是綜采工作面極其核心的技術(shù)裝備，對保證工作面高效安全開采具有重要意義[1-3]。隨著國內(nèi)煤炭行業(yè)優(yōu)勢產(chǎn)能不斷釋放，資源豐富的礦山充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，樹立高產(chǎn)高效的發(fā)展理念，同時(shí)緊跟科學(xué)技術(shù)發(fā)展腳步，全力優(yōu)化現(xiàn)有煤炭生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備，綜采工作面液壓支架也得到全面發(fā)展。根據(jù)繁雜多變的地質(zhì)條件，國內(nèi)外高等院校及科研機(jī)構(gòu)研制出針對性很強(qiáng)的各類液壓支架[4]。因此，根據(jù)相關(guān)優(yōu)秀工程專家經(jīng)驗(yàn)確定了斜溝煤礦23110(首個(gè)低位放頂煤)工作面支架選型。

1 工作面概況

23110工作面位于21采區(qū)南翼中東部，東側(cè)為23112采空區(qū)(保護(hù)煤柱寬度14.3～19.7 m)，南側(cè)、西側(cè)為實(shí)煤區(qū)。上部為8號(hào)煤層18110采空區(qū)，18108工作面(正在回采)，層間距55.5～57 m。本工作面整體煤層產(chǎn)狀為一走向近南北、傾向西的單斜構(gòu)造，傾角6.3～8.7°，平均7.9°。煤層厚度為13.70～15.30 m，平均厚度為14.53 m。工作面可采走向長度為2 811.6 m，傾斜長度為242.45 m。工作面采高為3.8 m，放煤高度10.73 m，采放比約為1∶2.8，按一刀一放的正規(guī)循環(huán)作業(yè)，循環(huán)進(jìn)度、放煤步距均為0.8 m，頂板采用全部垮落法管理采空區(qū)頂板。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

2 液壓支架選型分析與支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算

2.1 架型分析

目前國內(nèi)外液壓支架種類繁多，根據(jù)架型結(jié)構(gòu)與圍巖關(guān)系、煤層傾角、穩(wěn)定機(jī)構(gòu)、控制原理等分類，每一個(gè)分類標(biāo)準(zhǔn)均有不同型號(hào)的支架。由于斜溝煤礦屬于特厚煤層，結(jié)合相似礦井的應(yīng)用實(shí)踐，斜溝煤礦采用放頂煤工藝回采。液壓支架參考國內(nèi)內(nèi)蒙地區(qū)特厚煤層礦井，確定為四柱支撐掩護(hù)式低位放頂煤支架。該型支架功能相對完善，綜合了國內(nèi)外近幾年放頂煤液壓支架的優(yōu)勢,支架參數(shù)不斷優(yōu)化,結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn),與同類型支架相比,具有高適應(yīng)性、節(jié)省空間、安全系數(shù)高、支護(hù)強(qiáng)度大、操作靈活、反應(yīng)快等特點(diǎn)[5-7]。

表1 斜溝煤礦23110工作面煤層頂?shù)装鍘r性

2.2 合理的支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)以下兩種計(jì)算方法，選取最大值即為工作面支架的工作阻力。

1) 根據(jù)斷裂角確定放頂煤支架支護(hù)強(qiáng)度。

qz=k(γ1h1+γ2H)

=1.8×(14.1×10.73+25×11.23)

=777.68 kN/m2

式中：qz為支架的動(dòng)載支護(hù)強(qiáng)度；k為動(dòng)載備用系數(shù)，Ⅱ級(jí)以上基本頂，一般為1.5～2.0,取1.8。γ1為頂煤的容重，取14.1 kN/m3；γ2為頂板巖石的容重，取25 kN/m3；h1為頂煤厚度，取10.73 m；H為對支架有直接影響的巖層厚度。

H=(L+h1/tana)/tanθ

=(5.595+10.73/tan88°)×tan62°

≈11.23 m；

式中：L為有效控頂距，取5.595 m；h1為頂煤厚度，取10.73 m；α為頂煤斷裂角，一般為70～120°,取88°；θ為頂板斷裂角，一般為60～65°,取62°；

P=qz(Lk+LD)B/ηs

=777.68×(0.460+5.595)×1.75/0.75

≈10 987.32 kN

式中：P為支架的工作阻力，kN；Lk為梁端距，0.460 m；LD為頂梁長度，5.595 m；B為支架中心距，1.75 m；ηs為支架的支護(hù)效率，75%.

2) 根據(jù)放頂煤工作面現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的回歸公式計(jì)算:

Pmax=1 939+2.1h+471f+155/Md

=1 939+2.1×486.5+471×3+155/3.32

≈5 137.14 kN

式中：Pmax為工作阻力，kN；h為煤層埋深，取850 m；f為煤的硬度系數(shù)，取3；Md為頂煤厚度，取10.73 m；

則支架額定支護(hù)阻力P為：

P=Pmax×K(安全系數(shù)K為1.2～1.35)

=5 137.14×1.35

=6 935.41 kN

選取上述兩種計(jì)算方式結(jié)果的最大值，即10 987.32 kN。額定工作阻力的60%～80%是切實(shí)有效的支架工作阻力，ZF15000/26/40型可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，支架工作阻力是額定阻力的73%，使用該型支撐掩護(hù)式低位放頂煤液壓支架科學(xué)合理。考慮到工作面兩端頭受刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾限制，同時(shí)根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，工作面兩端頭安全出口必不可少，因此兩端頭各配1組過渡支架。參考中間支架選型,ZFG15000/26/40型過渡支架符合要求。

2.3 工作面膠帶巷端頭支架的承載驗(yàn)算

工作面膠帶巷端頭支架的承載需求T用下式計(jì)算：

T=PLB

=0.6×13.4×1.77

=14 230.8 kN。

式中：P為端頭支架的支護(hù)強(qiáng)度，參考相似礦井生產(chǎn)實(shí)際，ZT26000/28/40型端頭支架的支護(hù)強(qiáng)度為0.6 MPa；L為頂梁長度，該型支架為中置式兩架一組支架，頂梁為整體頂梁，結(jié)構(gòu)為左(右)前中后頂梁，整體長度為13.4 m；B為頂梁寬度，左(右)前頂梁均為850 mm，左(右)中頂梁均為865 mm，左(右)后頂梁均為885 mm，此處頂梁寬度按后頂梁寬度選取驗(yàn)算，則整體頂梁寬度為1 770 mm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證，ZT26000/28/40型滿足工作面膠帶巷端頭支架的承載需求。

3 在線監(jiān)測分析

在綜放工作面安設(shè)礦壓在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測液壓支架阻力動(dòng)態(tài)變化，并同步分析處理數(shù)據(jù)。具體操作為，在工作面每隔10架安裝1臺(tái)無線監(jiān)測分站，通過信號(hào)線傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)上。目前工作已推進(jìn)400 m，推采速度平均6.4 m/d，根據(jù)已傳輸?shù)奶幚斫Y(jié)果分析得出初次來壓步距48 m，最大平均支護(hù)強(qiáng)度1 780.6 kN/m2；周期來壓步距為15.2～20.2 m，平均17.7 m，最大平均支護(hù)強(qiáng)度1 602.5 kN/m2?，F(xiàn)選取回采至200～400 m之間30號(hào)支架、80號(hào)支架的監(jiān)測數(shù)據(jù)，見圖1?；夭善陂g支架應(yīng)力主要集中于20～35 MPa，來壓期間立柱最大應(yīng)力均超過 42.8 MPa(安全閥開啟壓力) ，此外回采期間未出現(xiàn)頂板應(yīng)力過大而壓死支架的現(xiàn)象。

圖1 工作面支架應(yīng)力曲線

4 結(jié) 語

本文基于斜溝煤礦23110綜放工作面實(shí)際煤層賦存情況及開采技術(shù)條件，研究首個(gè)低位放頂煤工作面選用支架步驟與方法，包括首選、計(jì)算和驗(yàn)證的不同路徑。通過礦壓在線監(jiān)測系統(tǒng)，全面科學(xué)分析工作面壓力分布狀況，并驗(yàn)證了選取支架的可靠性，實(shí)現(xiàn)了液壓支架性能最大利用率，達(dá)到了放頂煤工作面安全高效的目標(biāo)。