堅(jiān)硬煤層綜放開采工作面液壓支架選型研究

張愛民，李 明，張巨峰

(1.甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司 紅會第一煤礦，甘肅 白銀 730913；2.隴東學(xué)院 能源工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000)

我國煤炭資源賦存豐富[1]，堅(jiān)硬煤層較為普遍，因此，堅(jiān)硬煤層開采空間的支護(hù)問題得到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[2-4]。液壓支架作為一種通過依靠底板、支撐頂板的結(jié)構(gòu)物，具有護(hù)煤壁、擋矸石的作用，不僅為采煤作業(yè)人員提供了安全空間，還為煤炭綜放開采放煤、運(yùn)輸提供了方便，在綜合機(jī)械化采煤作業(yè)中具有極其重要的作用[5-8]。但是，我國煤炭開采條件千差萬別，液壓支架的選型既關(guān)系著煤炭生產(chǎn)的安全，也關(guān)系著經(jīng)濟(jì)效益，為此，國內(nèi)許多學(xué)者對工作面液壓支架的選型進(jìn)行了大量研究[9-13]，主要集中在薄煤層開采、殘煤復(fù)采、破碎頂板開采等條件的液壓支架選型放煤，關(guān)于堅(jiān)硬煤層開采工作面液壓支架的選型研究較少。本文以甘肅靖遠(yuǎn)礦區(qū)堅(jiān)硬煤層綜放開采工作面為研究對象，開展工作面液壓支架選型，以保障工作面安全回采。

1 煤層地質(zhì)及工作面概況

1.1 煤層地質(zhì)條件

甘肅靖遠(yuǎn)礦區(qū)紅會一礦1715綜放工作面所在的一煤層為侏羅系中統(tǒng)(J2)，煤層賦存趨勢兩翼高，中央向下屈曲，底板起伏變化較大，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，區(qū)域內(nèi)由南向北有F7-19、F7-8、F7-6、F7-164條發(fā)育的斷層。F7-19正斷層與1715運(yùn)輸巷走向呈51°相交，產(chǎn)狀為52°SE∠80°H=1.0～3.0 m。F7-8逆斷層與1715工作面走向呈70°相交，產(chǎn)狀為45°SW∠65°H=0～2.0 m。F7-6逆斷層與工作面走向呈45°相交，產(chǎn)狀為105°SW∠65°H=0～0.5 m。F7-16正斷層與工作面走向呈60°相交，產(chǎn)狀為84°NE∠60°H=2.4～3.0 m，對工作面回采影響較大。

1.2 工作面概況

1715綜放工作面位于礦井一煤層的七采區(qū)西北部，傾角2～9°，平均5°，工作面范圍內(nèi)煤層平均厚度14.5 m，煤層結(jié)構(gòu)中等，局部底板以上5.0 m處發(fā)育1層夾矸，巖性為粉砂質(zhì)泥巖，厚度在0.3～0.5 m之間。煤層層理、節(jié)理較發(fā)育，容重1.35 t/m3，普氏硬度系數(shù)2.5～3.8，屬堅(jiān)硬煤層，煤質(zhì)牌號為不粘結(jié)煤(BN)；煤巖類型以亮型及半亮型為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)簡單，賦存較穩(wěn)定，工作面走向長度為602 m，傾斜長度為183 m，采用走向長壁一次采全厚綜合機(jī)械化放頂煤采煤法，后退式回采，回采方向?yàn)樽员毕蚰希徊筛?.0 m，放頂煤11.5 m，采放比為1∶3.8，放煤方式為“邊采邊放”，放煤步距0.6 m；采空區(qū)采用全部垮落法處理，工作面采用U型通風(fēng)方式。

2 液壓支架的選型

2.1 液壓支架的選型要求

煤層綜放開采過程中，工作面液壓支架具有有效支撐煤層頂板、維持作業(yè)空間安全、順利放落頂煤的作用，因此，對于綜放開采來說，液壓支架既是支護(hù)工具，又是頂煤落放設(shè)備，液壓支架選型時(shí)必須同時(shí)考慮這兩方面的要求。由于堅(jiān)硬煤層開采過程中，頂煤垮落形態(tài)規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的特殊性，即使采取了頂煤預(yù)先綜合弱化措施，仍需要考慮礦壓顯現(xiàn)劇烈、頂煤冒放塊度較大的弊端。

首先，較大塊度煤(巖)體從10 m以上的空間內(nèi)變形垮落，可能對液壓支架的掩護(hù)梁產(chǎn)生非常大的沖擊力。為了防止工作面發(fā)生冒頂事故，保證工作面支護(hù)安全，頂煤預(yù)先弱化時(shí)，下部可能有2.5～3.0 m厚度的頂煤分層未被弱化。當(dāng)這部分頂煤進(jìn)入支架頂梁支護(hù)區(qū)后，需要靠支架強(qiáng)有力的反復(fù)支撐將其破碎才能順利放落。

其次，1715綜放工作面所在的一煤層傾角較大，最大傾角為9°，因此，液壓支架將會承受橫向上較大的水平力。

綜合以上因素，1715綜放工作面的液壓支架應(yīng)具有抗沖擊性、整體穩(wěn)定性和抗偏載能力，應(yīng)具有盡可能大的過煤斷面和放煤口，因此，1715綜放工作面的液壓支架架型應(yīng)采用四連桿機(jī)構(gòu)，形成正向布置四柱支撐掩護(hù)式低位放頂煤的結(jié)構(gòu)形式。

2.2 液壓支架主要技術(shù)參數(shù)確定

2.2.1 支護(hù)強(qiáng)度的確定

采煤工作面液壓支架的主要受力來自于上位巖層的動壓力和下位巖層的靜壓力，支護(hù)強(qiáng)度常采用經(jīng)驗(yàn)式(1)計(jì)算[4]：

(1)

式中：p為液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度，MPa；H為采高，平均2.8 m；γ為頂板巖石容重，一般取2.6 t/m3；K為頂板巖石破碎膨脹系數(shù)，一般為1.25～1.5；α為工作面傾角，°；β為附加阻力系數(shù)，四柱式液壓支架一般為1.6；q為頂板周期來壓動載系數(shù)，q的取值應(yīng)按照以下規(guī)則進(jìn)行：周期來壓不明顯頂板，q取1.1；周期來壓明顯頂板，q取1.3；周期來壓強(qiáng)烈頂板，q取1.5～1.7。代入式(1)，則：

2.2.2 支架工作阻力確定

采煤工作面液壓支架工作阻力F需滿足頂板支護(hù)強(qiáng)度的要求，由支護(hù)強(qiáng)度p和支護(hù)面積S決定，可以由經(jīng)驗(yàn)式(2)計(jì)算[4]：

F=103qS

(2)

式中：S為支架支護(hù)面積，備選支架的支護(hù)面積一般為7.425 m2。代入式(2)，則：

F=103×0.38×7.425=2 821.5 kN

支撐掩護(hù)式和掩護(hù)式液壓支架因受立柱傾角的影響，工作阻力F小于立柱總工作阻力F總，二者的比值即為液壓支架的支撐效率η，所以，液壓支架立柱的總工作阻力F總為：

(3)

式中：η為支撐掩護(hù)式支架和掩護(hù)式支架的支撐效率，一般為80%.

代入式(3)中，則：

2.2.3 初撐力確定

采煤工作面液壓支架的初撐力是指在乳化液泵站正常工作情況下，液壓支架的所有立柱全部升起，支架頂梁支撐工作面頂板時(shí)的液壓支架支撐力。液壓支架的初撐力可按如下原則確定：

1) 當(dāng)煤層頂板為不穩(wěn)定或中等穩(wěn)定時(shí)，液壓支架的初撐力較高，至少為工作阻力的80%.

2) 當(dāng)煤層頂板為穩(wěn)定頂板，液壓支架的初撐力不需要過大，一般為工作阻力的60%.

3) 當(dāng)煤層頂板為周期來壓強(qiáng)烈的頂板時(shí)，為了避免頂板大面積周期垮落對工作面產(chǎn)生劇烈擾動，液壓支架的初撐力應(yīng)較高，至少為工作阻力的75%.

根據(jù)1715綜放工作面煤層頂板穩(wěn)定性情況及頂板周期垮落特征，以及液壓支架放煤對頂煤的反復(fù)破碎能力，液壓支架基本架及過渡架初撐力至少為4 652 kN。

2.2.4 支撐高度的確定

支架最大支撐高度按式(4)確定：

Hmax=hmax+S1

(4)

式中：hmax為最大采高，m；S1為浮煤或偽頂垮落高度，m。

1715工作面采高為3 m，浮煤或偽頂垮落高度為0.4 m，代入式(4)可得：

Hmax=3+0.4=3.4 m。

支架最小支撐高度，按式(5)確定：

Hmin≤hmin-S2-lmin-h＇

(5)

式中：hmin為煤層最小采高，m；S2為頂板最大下沉量，m；lmin為移架時(shí)支架所需的最小降架量，m；h＇為浮煤厚度，m。

1715工作面最小采高為2 m，頂板最大下沉量為0.3 m，液壓支架移架時(shí)，所需的最小降架量為0.05 m，浮煤厚度平均為0.05 m，代入式(5)可得：

Hmin=2-0.3-0.05-0.05=1.6 m。

3 液壓支架型號確定

通過計(jì)算1715綜放工作面液壓支架需要的支護(hù)強(qiáng)度、工作阻力、初撐力和支撐的高度等參數(shù)，液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度需要大于0.38 MPa，工作阻力需要大于3 526.9 kN，最大支撐高度3.4 m，最小支撐高度1.6 m。

ZZF5200/19/32型液壓支架支護(hù)強(qiáng)度為0.67 MPa，端頭架前架支護(hù)強(qiáng)度為0.47 MPa，端頭后架支護(hù)強(qiáng)度為0.617～0.785 MPa，均大于計(jì)算出的支護(hù)強(qiáng)度，能滿足支護(hù)強(qiáng)度的要求。

ZZF5200/19/32型液壓支架工作阻力為5 200 kN，端頭架前、后架工作阻力均為5 200 kN，均大于計(jì)算出的工作阻力，能滿足設(shè)計(jì)要求。

因此，1715工作面端頭架選用1組ZZFT10400/20/30型端頭支架；過渡架選用6副ZZFG5200/19/32型過渡架；基本架選用115副ZZF5200/19/32型支架。支架中心距為1.50 m，架間距0.07 m(水平工作面支架不設(shè)底調(diào)油缸，所以架間距較小)，工作面最大控頂距=5.39+0.36+0.26+0.34+0.6=6.950 m，最小控頂距5.39+0.36+0.26+0.34=6.35 m，移架步距0.6 m，端面距0.34 m，放頂煤步距0.6 m。1715工作面基本支架、過渡支架和端頭支架的參數(shù)見表1。

表1 工作面支架參數(shù)

通過計(jì)算1715綜放工作面對液壓支架支護(hù)強(qiáng)度、工作阻力、初撐力和支護(hù)高度的要求，比對ZZF5200/19/32型液壓支架參數(shù)，得出了ZZF5200/19/32型液壓支架可以滿足1715綜放工作面的支護(hù)要求，為堅(jiān)硬煤層開采的液壓支架選型提供了依據(jù)。