杭來灣煤礦超大采高液壓支架選型

張 軍

(陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

杭來灣井田位于陜西榆神礦區(qū)一期規(guī)劃區(qū)的西南部，井田長12 km，寬7.7 km，面積約92 km2。主采煤層為3號煤，位于延安組第3段頂部，煤層厚度6.34～8.14 m，平均7.46 m，局部含1～2層0.05～0.46 m泥巖、碳質(zhì)泥巖夾矸，埋深240 m左右。煤層層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，厚度變化小。無瓦斯，礦井涌水量較大。

1 采煤工藝的選擇

杭來灣煤礦302盤區(qū)平均煤厚達(dá)到7.46 m，目前針對7 m以上厚煤層的采煤工藝有分層開采、一次采全高以及放頂煤3種。分層開采設(shè)備投資少但巷道掘進(jìn)量大且回采率低，一次采全高回采率高、增產(chǎn)潛力大但設(shè)備投資大，放頂煤煤層適應(yīng)性好但原煤含矸率高且瓦斯積聚風(fēng)險(xiǎn)高等。針對3種采煤工藝的特點(diǎn)，利用加權(quán)評分評比法，確定適合302盤區(qū)的采煤工藝，見表1。

表1 302盤區(qū)采煤工藝加權(quán)評分統(tǒng)計(jì)Table 1 Weighted scoring statistics of coal mining technology in panel 302

綜上，通過對3種采煤工藝多指標(biāo)對比評價(jià)，302盤區(qū)適宜采用一次采全高采煤工藝。

2 支架關(guān)鍵參數(shù)論證2.1 支架高度

液壓支架的高度應(yīng)與工作面煤層的總體厚度變化相適應(yīng)，保證回采率的同時應(yīng)考慮到技術(shù)可靠性及投資經(jīng)濟(jì)性。

支架高度可以用以下公式計(jì)算

Hmax=Mmax+S1

(1)

Hmin≤Mmin-S2-a-b

(2)

式中，Hmax為支架的最大高度，m；Mmax為煤層的最大可采厚度，m；S1為最大采高時支架高度的富余量，一般取0.1～0.3 m；Hmin為支架的最小高度，m；Mmin為煤層的最小可采厚度，m；S2為最小采高時頂板可能的下沉量，一般取0.3～0.5 m；a為支架移架所需最小降架量，取0.1 m；b為浮煤厚度，取0.1 m。

若不留頂、底煤開采，則煤層最大可采厚度Mmax可取8.1 m，最小可采厚度Mmin可取6.3 m。將各參數(shù)代入式(1)(2)，計(jì)算得到支架高度范圍為Hmax=8.4 m，Hmin≤5.6 m。

若留頂、底煤開采，其中頂煤預(yù)留大約0.2～0.5 m，底煤約0.1～0.3 m，煤層最大可采厚度Mmax可取7.3 m，最小可采厚度Mmin可取5.5 m。將各參數(shù)代入式(1)(2)，計(jì)算得到支架高度范圍為計(jì)算得到支架高度范圍為Hmax=7.5 m，Hmin≤4.8 m。

根據(jù)地質(zhì)勘查資料及實(shí)測可知，302盤區(qū)3號煤層直接頂?shù)装宸植寄鄮r強(qiáng)度較底，且工作面涌水量較大，回采過程中易發(fā)生支架鉆底或局部冒頂。為保證工作面回采安全高效，需留設(shè)頂、底煤。

綜合考慮工作面回采率、作業(yè)安全性、推進(jìn)高效性、設(shè)備可靠性以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等因素，最終確定支架高度范圍需滿足Hmax=7.5 m，Hmin≤4.8 m。

2.2 支架中心距

目前超大采高液壓支架中心距規(guī)格有1.75 m、2.05 m、2.4 m。1.75 m的寬度相對7 m以上的超大采高支架來說，橫向失穩(wěn)角小，穩(wěn)定性較差[1]。2.4 m中心距支架穩(wěn)定性最好，但目前支架運(yùn)輸配套不成熟，不適應(yīng)現(xiàn)有礦井運(yùn)輸安裝。2.05 m中心距支架在穩(wěn)定性和運(yùn)輸安裝等方面平衡性最好，故支架中心距確定為2.05 m。

2.3 架型選擇

目前使用比較廣泛的支架架型主要有兩柱掩護(hù)式液壓支架和四柱支撐掩護(hù)式液壓支架2種，這2種架型各有特點(diǎn)。兩柱掩護(hù)式支架結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、造價(jià)便宜、整體受力平衡、電液控自動化容易實(shí)現(xiàn)，而四柱支撐掩護(hù)式支架頂梁受力狀態(tài)好、切頂性好、支架穩(wěn)定性較高、有較大的工作空間[2-3]。

針對2種支架的特點(diǎn)，利用加權(quán)評分評比法確定適合本礦實(shí)際情況的架型。見表2。

表2 302盤區(qū)液壓支架架型加權(quán)評分統(tǒng)計(jì)Table 2 Weighted scoring statistics of hydraulic support type in panel 302

根據(jù)以上評比結(jié)果，確定支架架型為兩柱掩護(hù)式支架。

2.4 支護(hù)強(qiáng)度

2.4.1 估算法

由經(jīng)驗(yàn)公式

P=nhγg×10-6

(3)

式中，P為支護(hù)強(qiáng)度，MPa；n為頂板巖石厚度系數(shù)，取6～8；h為采高，7.5 m；γ為頂板巖石密度，2 500 kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2。

將各參數(shù)代入式(3)，計(jì)算得到支架支護(hù)強(qiáng)度為1.1～1.47 MPa。

2.4.2 模型分析法

根據(jù)已有研究[4-5]，工作面采高加大后，覆巖垮落帶高度隨之加大，在普通采高中能形成穩(wěn)定“砌體梁”結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵層(基本頂)，也將進(jìn)入垮落帶而最終以“懸臂梁”結(jié)構(gòu)破斷運(yùn)動的型式存在，而關(guān)鍵層的“砌體梁”鉸接結(jié)構(gòu)需在更高的層位才能形成。顯然對302盤區(qū)來說，采用7.5 m超大采高綜采開采工藝，工作面采空區(qū)內(nèi)除直接頂外部分基本頂也將垮落，“砌體梁”結(jié)構(gòu)上移，采場上覆巖層最終形成圖1“懸臂梁”加“砌體梁”的結(jié)構(gòu)形態(tài)，而垮落高度增加導(dǎo)致工作面回采過程中動壓系數(shù)高，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，頂板壓力和支架載荷明顯增大。

圖1 302盤區(qū)上覆巖層結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Overburden structure of panel 302

根據(jù)圖1可知，液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度需要平衡3種力。第1種是支架頂梁上方直接頂?shù)膸r石自重，第2種直接頂上方已破斷形成“懸臂梁”的關(guān)鍵層1以及其上軟巖的自重，第3種是維持形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵層2平衡的力。

根據(jù)以上分析，可建立如圖2所示的采場力學(xué)模型。

圖2 302盤區(qū)采場力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of mining face in panel 302

直接頂巖石自重載荷

(4)

式中，P0為直接頂載荷，MPa；h1為直接頂厚度，取3.2 m；Lk為控頂距，取6.4 m；α為直接頂破斷角，取78°。

關(guān)鍵層1及其上層軟巖自重載荷

(5)

式中，P1為關(guān)鍵層1及其上覆軟巖載荷，MPa；h2為關(guān)鍵層1及其上覆軟巖厚度，據(jù)地勘資料平均厚度取14.1 m；L為關(guān)鍵層1破斷長度，根據(jù)目前301盤區(qū)工作面來壓周期統(tǒng)計(jì)平均17刀，可取14.7 m。

支架維持關(guān)鍵層2“砌體梁結(jié)構(gòu)”平衡所需載荷，可根據(jù)文獻(xiàn)[6]得

(6)

(7)

式中，P2為支架維持關(guān)鍵層2“砌體梁結(jié)構(gòu)”平衡所需載荷，MPa；Q為關(guān)鍵層1及其上覆軟巖載荷，MPa；Lq為關(guān)鍵層2破斷長度，同取14.7 m；h3為關(guān)鍵層2及其上覆軟巖厚度，據(jù)地勘資料平均厚度取15.3 m。

則支架所需支護(hù)強(qiáng)度

P=n(P0+P1+P2)

(8)

式中，n為動載系數(shù)，根據(jù)周邊煤礦數(shù)據(jù)可取1.4[5]。

將式(7)代入式(6)，式(4)(5)(6)代入式(8)得P=1.54 MPa。

綜合以上數(shù)據(jù)，工作面的支護(hù)強(qiáng)度不小于1.54 MPa。

2.5 工作阻力

液壓支架的工作阻力應(yīng)和工作支護(hù)強(qiáng)度的要求相適應(yīng)，因此支架的工作阻力為

(9)

式中，η為支撐效率，取0.98；B為支架中心距，取2.05 m。計(jì)算可得，F(xiàn)=20 617 kN。

圓整后，支架工作阻力確定為 21 000 kN。

2.6 初撐力

合理的初撐力，可以有效減小頂板下沉量，快速提高支架的工作阻力，減小煤壁受力，控制煤壁變形，減輕煤壁片幫程度和發(fā)生量。

根據(jù)已有研究成果[7]，超大采高工作面初撐力與額定工作阻力的合理比例系數(shù)μ取75%～80%，可保證煤壁承壓水平較低，控制塑性變形并減少片幫。初撐力計(jì)算公式如下

Fch=μF

(10)

因此，初撐力應(yīng)滿足15 750～16 800 kN。

2.7 護(hù)幫板

綜采工作面的片幫與端面冒頂往往同時發(fā)生，任何一種現(xiàn)象的發(fā)生和加劇必將導(dǎo)致另一種情況的發(fā)生，由此形成的惡性循環(huán)極易造成各種安全事故。對于7.5 m超大采高綜采來說，煤壁控制和頂板控制一樣重要，所以護(hù)幫板的合理選型是超大采高工作面煤壁管理的關(guān)鍵因素。

2.7.1 護(hù)幫板的長度

根據(jù)“壓桿”計(jì)算模型的結(jié)論：最易發(fā)生煤壁片幫的位置為距離底板0.65倍的采高處[8]。距頂板0.35倍采高處，煤壁側(cè)向位移最大，將首先失穩(wěn)。綜合各種工況下護(hù)幫板的支護(hù)角度及有效防護(hù)面積，護(hù)幫板高度應(yīng)為片幫高度的1.5倍。即

Hh=0.35kh

(11)

式中，Hh為支護(hù)幫板長度，m；k為護(hù)幫板支護(hù)系數(shù)，取1.5。計(jì)算得Hh=3.9 m。

圓整后，護(hù)幫板長度取4 m。

2.7.2 護(hù)幫力

根據(jù)煤壁的“拉裂-滑移”理論[9]，工作面煤壁受到頂板的壓力、支架的支撐力、護(hù)幫板的支護(hù)力、煤體內(nèi)部的應(yīng)力綜合作用，導(dǎo)致在煤壁距頂0.35倍采高的位置產(chǎn)生拉裂現(xiàn)象，煤體發(fā)生破壞[10-13]。是否形成片幫，綜合作用力還要滿足其他條件，即煤壁發(fā)生破壞并不一定導(dǎo)致片幫。

在一定條件下，護(hù)幫板對煤壁施加的護(hù)幫力能有效抑制煤壁片幫。由此，支架護(hù)幫力必須滿足以下要求，才能完全承擔(dān)已破碎煤體的重量以及護(hù)幫板自身的重量。即

(12)

式中，F(xiàn)h為液壓支架防止煤壁片幫的護(hù)幫力，kN；n為安全系數(shù)，取2；θ為煤壁拉裂破斷角，取45°；ρ1為煤密度，1 300 kg/m3；ρ2為鋼材密度，8 000 kg/m3；D為護(hù)幫板平均厚度，取0.2 m。計(jì)算得Fh≥332 kN。

圓整后，支架護(hù)幫力不小于350 kN。

2.8 液壓支架技術(shù)參數(shù)

根據(jù)以上選型結(jié)果，確定302盤區(qū)超大采高液壓支架的主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 302盤區(qū)液壓支架主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Main technical parameters of hydraulic support in panel 302

3 結(jié)論

以目前煤炭裝備研發(fā)以及應(yīng)用情況，平均可采煤厚在8 m以下的緩傾斜煤層應(yīng)優(yōu)先考慮一次采全高的采煤工藝。支架的高度選擇應(yīng)充分考慮礦井實(shí)際情況，不能盲目追高，給生產(chǎn)安全帶來隱患。支架支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況考慮多種核算方式作對比，避免出現(xiàn)選小的失誤。采高越大采場片幫也越嚴(yán)重，所以選型時應(yīng)對工作面煤壁管理做充分考慮，首先，支架工作阻力選大一些有利于減少煤體破壞；其次，護(hù)幫板的高度以及護(hù)幫力應(yīng)合理選型，有利于控制煤體滑落。