8226 綜采工作面液壓支架選型與效果研究

魏武豪

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦，山西 大同 037001）

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦位于山西省大同煤田東翼中東部邊緣地帶，井田面積170.91 km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為15.0 Mt/a，礦井服務(wù)年限140 a。8226 工作面位于二盤區(qū)西南部，工作面埋深479 m，標(biāo)高1414～1562 m，傾向長(zhǎng)度275.3 m，走向長(zhǎng)度為2 020.5 m，平均煤層厚14.85 m，平均煤層傾角2°。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層中含10～15 層夾矸，平均13 層，厚度1.96 m，單層厚度0.05～0.94 m，巖性為：巖漿巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、高嶺巖，受煌斑巖侵入影響煤層上部大部變質(zhì)、硅化。老頂為粗砂巖、中砂巖，平均厚度8.50 m；直接頂為泥巖、煤、炭質(zhì)泥巖，平均厚度為7.63 m；直接底為高嶺質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤，平均厚度為4.45 m；老底為中砂巖、礫粗砂巖，平均厚度為26.30 m。

根據(jù)塔山煤礦已采多個(gè)工作面的開(kāi)采成果，確定8226 工作面的主要開(kāi)采設(shè)備為SL-500 型采煤機(jī)、PF6/1142 型前部刮板運(yùn)輸機(jī)、PF6/1542 型后部刮板運(yùn)輸機(jī)，工作面采高為3.8 m，采放比為1:2.91。根據(jù)地質(zhì)資料計(jì)算，刀煤割煤量為1420 t，放煤量為3 655.2 t，生產(chǎn)能力滿足要求。

2 液壓支架選型設(shè)計(jì)[1-6]

2.1 架型分析

塔山煤礦8226 工作面平均煤層厚度達(dá)14.85 m，結(jié)合單一走向長(zhǎng)壁后退式一次采全高低位放頂煤綜合機(jī)械化開(kāi)采工藝，確定選擇四柱支撐掩護(hù)式低位放頂煤支架。

2.2 支架支護(hù)高度的確定

支架的高度主要包括最大結(jié)構(gòu)高度和最小結(jié)構(gòu)高度，必須適應(yīng)煤層采高變化所要求的最大和最小支撐高度。支架高度由式（1）、式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Hmax為支架最大結(jié)構(gòu)高度，m；Mmax為煤層最大采高，取3.8 m；a為偽頂冒落后支架具有初撐力的補(bǔ)償量，取0.3 m；Hmin為支架最小結(jié)構(gòu)高度，m；Mmin為煤層最小采高，取3.6 m；s為頂板最大下沉量，取0.1 m；b為立柱最小可伸縮余量，取0.2 m；c為存留煤矸厚度，取0.1 m。代入數(shù)值計(jì)算得到最大結(jié)構(gòu)高度Hmax為4.1 m；最小結(jié)構(gòu)高度Hmin為3.2 m。

2.3 支架合理支護(hù)強(qiáng)度的確定

支架支護(hù)強(qiáng)度的計(jì)算如式（3）：

式中：qz為支架支護(hù)強(qiáng)度，MPa；k為動(dòng)載備用系數(shù)，取1.2；γ1為頂煤容重，取14.5 kN/m3；h1為頂煤厚度，取13.01 m；γ2為頂板巖石容重，取25 kN/m3；H為影響支架巖層厚度，取18.2 m。代入數(shù)值計(jì)算得qz=1.2×（14.5×13.01+25×18.2）×10-3=0.772 MPa。

2.4 工作面支架阻力計(jì)算

（1）根據(jù)斷裂角確定支架工作阻力，根據(jù)式（4）進(jìn)行計(jì)算：

式中：P1為工作阻力，kN；qz為支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；Ld為最大控頂距，取7.175 m；B為支架中心距，取1.75 m；ηs為支架的支護(hù)效率，80%。數(shù)值計(jì)算得P1=772×7.175×1.75/0.8=12 122 kN。

（2）根據(jù)8226 面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算支架工作阻力，如式（5）所示：

P2=（1939+2.1h+471f+155/Md）·k

式中：P2為工作阻力，kN；h為煤層埋深，取479 m；f為煤的普氏硬度系數(shù)，取3；Md為頂煤厚度，取13.01 m；k為安全系數(shù)，取1.25。代入數(shù)值計(jì)算得P2=5 462.3 kN。

（3）一次采全高結(jié)果的80%計(jì)算工作阻力。

① 采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算支護(hù)強(qiáng)度，如式（6）所示：

式 中：q1為 支 護(hù) 強(qiáng) 度，kN/m2；h為 采 厚，取16.81 m；γ為 容 重，取14.6 kN/m3；k為 上覆巖層厚度與采高比，取5。代入數(shù)值計(jì)算得q1=16.81×14.6×5=1 227.1 kN/m2。

② 采用巖石容重法計(jì)算支護(hù)強(qiáng)度，如式（7）所示：

式中：q2為支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；kd為動(dòng)載系數(shù)，取1.4；M為一次采厚，取13.4 m；Kp為冒落帶巖石碎脹系數(shù)；取1.35；γ為頂板巖石容重，取25 kN/m3。代入數(shù)值計(jì)算得q2=1.4×13.4/（1.35-1）×25=1340 kN/m2。

③ 采用臨近工作面初次來(lái)壓實(shí)測(cè)值確定支護(hù)強(qiáng)度q3。

根據(jù)在線礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)，支護(hù)強(qiáng)度q3為1105 kN/m2。

④ 可將支護(hù)強(qiáng)度換算為工作阻力，如式（8）所示：

式中：P3為工作阻力，kN；qmax為支護(hù)強(qiáng)度（取q1、q2、q3最大值），kN/m2；Ld為最大控頂距，取7.175 m；B為支架中心距，取1.75 m。代入數(shù)值計(jì)算得P3=1340×7.175×1.75×80%=13 460.3 kN。

（4）?。?）、（2）、（3）最大值為綜放工作面支架工作阻力P。

通過(guò)計(jì)算，取P1、P2、P3中的最大值，因此8226 綜采工作面支架工作阻力確定為13 460.3 kN。

通過(guò)以上計(jì)算分析，塔山煤礦8226 工作面確定選用ZF17000/27.5/42D 型支撐掩護(hù)式低位放頂煤液壓支架是可行的，計(jì)算所需工作阻力為額定阻力的79.1%，能滿足頂板控制的需要。

3 液壓支架應(yīng)用效果分析

3.1 支架阻力監(jiān)測(cè)

為了確定ZF17000/27.5/42D 型支撐掩護(hù)式低位放頂煤液壓支架的應(yīng)用效果，對(duì)支架阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在8226 工作面上布置有KJ653 型煤礦頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜采支架工作阻力監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)支架工作阻力的有效監(jiān)測(cè)。支架工作阻力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)安裝的壓力分機(jī)對(duì)壓力值進(jìn)行采集，并將采集信息通過(guò)傳輸系統(tǒng)傳遞到地面控制中心，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下液壓支架工作阻力的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

8226 工作面ZF17000/27.5/42D 型支架共布置159架，在10#、22#、34#、46#、58#、70#、82#、94#、106#、118#、130#、144#支架上共安裝有14臺(tái)壓力分機(jī)，接入位置為支架的前柱、后柱、前梁油缸下腔。

未安裝有綜采支架工作阻力監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的支架上讓其與支架電液控系統(tǒng)連接，通過(guò)電液控系統(tǒng)的控制器的數(shù)顯屏幕顯示，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)支架前柱、后柱、前梁油缸下腔的阻力變化情況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

從支架工作阻力監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，工作面推進(jìn)至15 m 時(shí)支架工作阻力最小，為11 584 kN；推進(jìn)至155 m 時(shí)支架工作阻力最大，為13 219 kN；當(dāng)繼續(xù)加大推進(jìn)開(kāi)采距離后，支架工作阻力變大并逐漸穩(wěn)定在13 650 kN 左右。從支架工作阻力監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：8226 工作面選用17 000 kN 的ZF17000/27.5/42D 型液壓支架能滿足開(kāi)采要求。從開(kāi)采實(shí)踐結(jié)果證明，ZF17000/27.5/42D 型液壓支架的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)塔山煤礦8226 工作面的高效安全開(kāi)采奠定了基礎(chǔ)。