2-126采面選用液壓支架適應性驗證

宋建華

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 堤村 031400）

液壓支架是煤礦實現(xiàn)機械化開采的關鍵一環(huán)，對于支護工作面頂板巖層及維持工作面作業(yè)空間意義重大[1-3]。特別是開采煤層厚度大，采高較大的綜采工作面，液壓支架是否可靠，對于工作面能否安全生產(chǎn)至關重要[4-6]。本文以霍寶干河煤礦2-126 工作面為工程背景，對此問題進行探討。

1 工程概況

霍寶干河煤礦位于山西省臨汾市洪洞縣趙城鎮(zhèn)。該礦2-126 工作面主采2#煤層，埋深409～486 m，煤層平均厚度3.75 m，傾角平均為9°，煤層結構簡單，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層直接頂為細粒砂巖，厚2.45 m，基本頂為K8中粒砂巖，厚4.8 m，直接底為炭質泥巖，厚2.9 m，老底為K7中粒砂巖，厚3.1 m。頂板裂隙發(fā)育，底板為砂巖遇水不膨脹，工作面地質綜合柱狀如圖1所示。

圖1 煤層綜合柱狀圖

2 工作面液壓支架選型設計

2.1 架型選擇

根據(jù)煤層頂?shù)装鍘r性、 厚度及頂板來壓等資料，同時考慮2-126 工作面有關生產(chǎn)資料，副巷煤柱側為2-112 工作面采空區(qū)，靠近機尾段壓力較大，工作面機尾段需要布置工作阻力較大的液壓支架。因此，工作面液壓支架型號初步選定為：工作面長度216 m，支架數(shù)量125 架（其中117 架中間架，8 架排頭架）；排頭架1#～4#和112#～125#選擇ZY13000/26/55 型液壓支架，5#～111#中間架選擇ZY9000/25.5/55 型液壓支架。工作面配備液壓支架參數(shù)如表1所示。

表1 工作面液壓支架參數(shù)

2.2 選型驗算

（1）承壓計算

液壓支架額定支護強度最小值可由下式計算：

Pn=72.3Hm+4.3Lp+78.9Bc-10.2N-62.1式中：Pn為支架額定支護強度最小值，MPa；Hm為工作面采高，3.75 m；Lp為周期來壓步距，根據(jù)相鄰工作面監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取20 m；Bc為控頂寬度，其中ZY9000/25.5/55 型液壓支架為5.545 m，ZY13000/26/55 型液壓支架為5.92 m；N 為充填系數(shù)（直接頂厚度/采高=2.45/3.75=0.65）。

將2-126 工作面參數(shù)代入上式可得：

ZY9000/25.5/55 型液壓支架Pn1=0.73 MPa

ZY13000/26/55 型液壓支架Pn2=0.76 MPa

（2）支架支護強度計算

①ZY9000/25.5/55 型兩柱掩護式支架技術參數(shù)為：

額定工作阻力：Q支=9 000 kN

支架支護面積：S=4.145×1.75=7.25 m2（4.145 m 為支架頂梁接觸面長度）

支架的支護強度：P=9 000/7.25=1 241 kN/m2=1.241 MPa

②ZY13000/26/55 型兩柱掩護式支架技術參數(shù)為：

額定工作阻力：Q支=13 000 kN

支架支護面積：S=4.520×1.75=7.91 m2（4.520 m 為支架頂梁接觸面長度）

支架的支護強度：P=13 000/7.91=1 643 kN/m2=1.643 MPa

（3）工作面支護設計計算

P1=8HRg=0.86 MPa

式中：P1為按8 倍最大采高計算上覆巖層所需要的支護強度，MPa；H 為最大采高，4.2 m；R 為頂板巖層容重，2.6 t/m3；g 為重力常數(shù)，9.8。

ZY9000/25.5/55 型支架和ZY13000/26/55型支架支護強度分別為1.241 MPa 和1.643 MPa，均大于P1。

（4）工作面支架工作阻力計算

①根據(jù)支護強度計算工作阻力

F =8HRgS

式中：F 為支架所需要的工作阻力，N；S 為支架支護面積，m2。

代入現(xiàn)場實際參數(shù)可得ZY-9000/25.5/55 型支架和ZY13000/26/55 型支架工作阻力分別為6 206.9 kN和6 772 kN。

②根據(jù)老頂周期來壓步距法計算工作阻力

P=（3.6+5.8M +1.4L2+3.6Bc）Sg

式中：P 為預計液壓支架設計工作阻力，kN/架；M為煤層最大采高，4.2 m；L2為依據(jù)本礦一采區(qū)多個綜采工作面周期來壓步距數(shù)據(jù)，取20 m。

代入現(xiàn)場實際參數(shù)可得ZY-9000/25.5/55 型支架和ZY13000/26/55 型支架預計工作阻力分別為5 397 kN/架和5 989 kN/架。

ZY-9000/25.5/55 型以及ZY13000/26/55 型兩種支架額定工作阻力均大于上述兩式計算結果的最大值，可見兩種型號支架支護強度均能滿足工作面支護要求。

（5）工作面支架初撐力驗算

按8 倍最大采高的上覆巖層所需支護強度計算，根據(jù)支護強度計算公式計算，工作面頂板屬中等穩(wěn)定，取工作阻力的80%為支架初撐力，初撐力計算如下：

ZY9000/25.5/55 型支架：

F ′=80%F=684 978.8×80%=547 983 N

ZY13000/26/55 型支架：

F ′=80%F=747 335.5×80%=597 868 N

式中：F′為支架所需初撐力，N；F 為支架所需的工作阻力，N。

ZY9000/25.5/55 型 和ZY13000/26/55 型 兩種支架額定初撐力均大于其所對應型號支架所需初撐力，可見兩種型號支架初撐力均能滿足工作面支護要求。

（6）泵站供液壓力驗算

P′=F′÷212S′

式中：P′為支架所需的乳化液壓強，MPa；S′為支架立柱活塞斷面積，m2。

代入現(xiàn)場實際參數(shù)可得ZY9000/25.5/55 型支架和ZY13000/26/55 型支架所需的乳化液壓強分別為24.48 MPa 和22.45 MPa，泵站有效供液壓力按80%計算，則所需泵站壓力不得低于30.6 MPa，而實際泵站供液壓力設定為31.5 MPa，滿足液壓支架的使用要求。

（7）支架高度

液壓支架支架高度與工作面采高應滿足下式：

式中：Hmax為支架最大結構高度，兩種型號支架均為5.5 m；Hmin為支架最小結構高度，ZY9000/25.5/55 型支架為2.55 m，ZY13000/26/55 型支架為2.6 m；Mmax為最大采高，4.2 m；Mmin為最小采高，3.7 m。

由以上公式計算可知，兩種型號支架滿足采高要求。

（8）底板比壓計算

P底=F1÷S1

式中：P底為底板比壓；F1為支架工作阻力，kN；S1為支架與底板接觸面積，ZY9000/25.5/55 型支架為5.712 m2，ZY13000/26/55 型支架為6.064 m2。

代入現(xiàn)場實際參數(shù)可得ZY9000/25.5/55 型支架和ZY13000/26/55 型支架底板比壓分別為1.56 MPa 和1.90 MPa，而2#煤底板抗壓強度為2.1～2.2 MPa，完全滿足兩種型號支架的底板比壓。

通過以上幾種方式的驗算，所選支架均能滿足安全生產(chǎn)需要，因此確定工作面液壓支架為ZY9000/25.5/55 以及ZY13000/26/55 型兩種雙柱掩護式支架。

3 支架現(xiàn)場應用效果分析

為了解ZY9000/25.5/55 型和ZY13000/26/55 型液壓支架的現(xiàn)場應用效果，對液壓支架工作阻力進行現(xiàn)場監(jiān)測。在工作面4#支架、50#支架和123#支架安裝壓力表對液壓支架工作阻力進行實時監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 工作面液壓支架監(jiān)測曲線

圖2中監(jiān)測期間工作面共來壓6 次，其中：4#液壓支架周期來壓步距平均為18.2 m，來壓期間工作阻力平均值為2 609.4 kN，最大值達到2 709.2 kN；非來壓期間，工作阻力平均值為2 356.8 kN，最大值為2 397.4 kN，動載系數(shù)平均為1.11，最大值達到1.17。50#液壓支架周期來壓步距平均為18.4 m，來壓期間工作阻力平均值為2 668.1 kN，最大值達到2 750.1 kN；非來壓期間，工作阻力平均值為2 382.1 kN，最大值為2 446.2 kN，動載系數(shù)平均為1.12，最大值達到1.17。123#液壓支架周期來壓步距平均為18.9 m，來壓期間工作阻力平均值為2 737.5 kN，最大值達到2 855.2 kN，非來壓期間，工作阻力平均值為2 373.6 kN，最大值為2 436.1 kN，動載系數(shù)平均為1.15，最大值達到1.20。

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，周期來壓步距基本接近，4#液壓支架工作阻力相對較小，動載系數(shù)在1.0～1.2 之間。工作面回采期間，液壓支架運行良好，表明所選支架滿足現(xiàn)場的安全生產(chǎn)需求。

4 結語

以霍寶干河煤礦2-126 工作面為工程背景，采用理論計算及現(xiàn)場實測的方法，根據(jù)煤層頂、底板巖性，底板來壓，煤層厚度及2-126 工作面有關生產(chǎn)資料，確定工作面選用ZY9000/25.5/55 型和ZY13000/26/55 型液壓支架進行支護； 通過液壓支架承壓、工作阻力、支護強度、初撐力等八個方面驗算，驗證了支架選型的合理性?，F(xiàn)場監(jiān)測液壓支架工作阻力變化情況，結果表明工作面回采期間，液壓支架運行良好，所選支架可以滿足現(xiàn)場的安全生產(chǎn)需求。