淺埋煤層長距離工作面支架選型特征研究

胡魏魏

（陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710100）

針對長距離工作面的整座煤礦開采程序在技術(shù)方面和堅固值上需要更高的標(biāo)準(zhǔn)，總體分析諸多地層結(jié)構(gòu)情況下煤礦開采方式造成的外覆巖石層資源開采毀壞特點，優(yōu)化此種地質(zhì)條件特征匹配的智能工作面開采所需要的配套設(shè)備的選型參數(shù)[1-5]，智能化礦井建設(shè)的更加合理。研究發(fā)現(xiàn)液壓支撐架的設(shè)備選型關(guān)鍵是分析液壓控制系統(tǒng)支撐架的承重載荷和頂部覆蓋圍巖穩(wěn)定性會引起的上覆巖層重壓是否可以組成耦合效應(yīng)，成為智能化采煤工作面液壓控制支撐架選型特征的主要參考因素[6-10]。

1 地質(zhì)狀況

曹家灘智能化礦井園區(qū)直屬于陜西煤業(yè)股份有限責(zé)任公司，身處煤炭基地榆林地區(qū)，是陜煤集團(tuán)在陜北能源基地建立的新時代智能化采煤工業(yè)園區(qū)，立足于智能型采礦場建造設(shè)計、智能園區(qū)建設(shè)及探礦，煤炭采掘作業(yè)面運用大批現(xiàn)代化科技大中型機(jī)器設(shè)備，涵括智能一體化掘錨機(jī)器、采煤工作面無線數(shù)據(jù)傳輸機(jī)器、智能化系統(tǒng)自動煤礦開采作業(yè)面儀器等等。高科技的煤炭能源儀器的運用讓發(fā)掘面的安排橫截面積極大擴(kuò)大，曹家灘智能化礦井原煤儲存共計11 層采掘，初期設(shè)計3 層開采使用，現(xiàn)階段采礦場建設(shè)的主采煤層為2-2 煤，作為曹家灘智能化礦井園區(qū)首支綜合挖掘放頂煤開采的122109 作業(yè)面建設(shè)在12 盤區(qū)2-2 煤開擴(kuò)運輸巷的西北側(cè)，可開采2-2 煤巷。采區(qū)內(nèi)土層無巖層出露，絕大多數(shù)被風(fēng)流沙層覆蓋，地表地貌特征為中間高兩邊低，自東向西走向。作業(yè)面地表地貌特點：南、北側(cè)地下賦存未開采的實體煤層，智能化工作面建設(shè)位于采空區(qū)西邊地界邊緣區(qū)域，運輸順槽建于12盤區(qū)系統(tǒng)大巷的保護(hù)煤層區(qū)域以內(nèi)。智能工作面初采安裝寬度260 m，建設(shè)使用回采長度6004 m，回采期為17.9 個月。作業(yè)面煤系地層沉積環(huán)境簡易，智能工作面建設(shè)開采煤層均厚11.8 m，煤層傾斜角度0.4°。智能工作面安裝建設(shè)距離地表平均距離318 m。此類地質(zhì)特征屬于陜北能源地區(qū)典型受淺埋煤層開采擾動的長距離智能工作面建設(shè)。

122109 工作面頂巖性主要是表面層粉砂礫巖、細(xì)粒砂礫巖，根據(jù)地質(zhì)資料顯示還伴隨有中層厚泥質(zhì)砂巖，主要賦存頂巖性，以厚層節(jié)理不變化的、結(jié)構(gòu)均質(zhì)的、不同粒徑的礫巖為主要巖石特性，偽頂巖性主要是泥質(zhì)粉砂巖交錯層。煤系地層基頂、板頂均屬易軟化的中硬類巖塊。煤系地層底部主要構(gòu)成為不同粒徑的泥質(zhì)粉砂巖交錯層重疊累積的軟地層。

2 液壓支架選型特征

2.1 支架工作阻力模型建立

智能采礦場建設(shè)使用液壓支架開采高度高，等效荷載的直接頂垂直距離伴隨波動增加，當(dāng)?shù)刃Ш奢d工作面壁厚與開采高度比例關(guān)系變小且填充情況一樣的狀況下，由于老頂上的關(guān)鍵巖層發(fā)生回轉(zhuǎn)變形破壞且變形量急劇增大，此時的板頂構(gòu)造主要以“高位臺階巖梁”構(gòu)造為主。如圖1。

圖1 “高位臺階巖梁”結(jié)構(gòu)模型

采高條件較大的情況下等效荷載直接頂巖層發(fā)生變形破壞，液壓支架的工作阻力計算模型如圖2。

圖2 等效直接頂支架工作阻力計算模型

等效荷載的直接頂巖層的自身載荷：

式中：B為支撐架間距；lk為液壓支架支護(hù)空間寬度；γ為上覆巖層均容重。

上覆巖層等效載荷：

式中：KG為工作阻力傳遞系數(shù)；h1為上覆工作阻力層厚度。

工作阻力傳遞系數(shù)：

式中：Kt為時間傳遞系數(shù)；Kr 為巖性傳遞系數(shù)；φ為內(nèi)摩擦角；λ為側(cè)向應(yīng)力集中系數(shù)。

將計算式（1）～（3）代入計算模型利用數(shù)學(xué)解析法可得：當(dāng)老頂為“高位臺階巖梁”結(jié)構(gòu)時支架工作阻力

煤礦122109 作業(yè)面老頂重要層壁厚為h=21.5 m，現(xiàn)場實測智能工作面采動影響下首采礦壓顯現(xiàn)推進(jìn)距離157.8 m 左右，周期觀測得到礦壓震動的平均推采距離20.5 m，計算得出老頂巖梁斷裂距離l=20.5 m，載荷層壁厚為h1=7.65 m。等同荷載的直接頂巖層厚度Σhi=7.65 m，上覆巖層平均容重γ=24 kN/m3，液壓支架開采高度m=11.8 m。等同荷載的直接頂巖石受力變形極限破壞角β=45°，老頂巖層回轉(zhuǎn)變形角度θ1=10°。支撐架間距B=2.05 m，液壓支架支護(hù)空間寬度lk=6.983 m。根據(jù)場地實際測試KG=0.4，碎脹因子取Kp=1.3 運算液壓支撐架來壓工作時作業(yè)反作用力。

根據(jù)淺埋煤層理論研究條件下作業(yè)面采動影響的主要巖層為“高位臺階巖梁”構(gòu)造時，由式（4）代入地質(zhì)參數(shù)及計算數(shù)值，計算可得到支撐架的工作反作用力Fzj=19 193.9 kN。

2.2 支架類型結(jié)構(gòu)參數(shù)選定

將曹家灘122109 智能采礦場的實際地質(zhì)探查數(shù)據(jù)代入作業(yè)面計算公式，可以得到支撐架的工作反作用力?？紤]到智能工作面的建設(shè)需要，研究使用ZFY21000/34/63D 型兩柱掩護(hù)式放頂煤采煤方法液壓支撐架，關(guān)鍵的主要性能參數(shù)見表1。

表1 ZFY21000/34/63D 型放頂煤液壓支架主要性能參數(shù)

2.3 支架結(jié)構(gòu)特征

曹家灘122109 智能采礦場建設(shè)使用的兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支撐架結(jié)構(gòu)特征如圖3。

圖3 ZFY21000/34/63D 型放頂煤液壓支架結(jié)構(gòu)

1）埋深較淺煤層由于設(shè)計使用液壓支架的開采高度較高，所以采后礦場壓力變化活動明顯，出于快速地操控梁板，運用核心距為2050 mm 的液控支撐架，核定正常工作時極限反作用力為21 000 kN，突出采用增加液控支撐架的缸壁壁厚，使用特殊加工的螺栓構(gòu)件來進(jìn)行缸體各部位連接工作。考慮到是較長操作時限應(yīng)對液壓支撐架的結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度和安全保障整體性能標(biāo)準(zhǔn)非常高。

2）在保障液壓支撐架的運用能力必要條件下，提升前后支撐柱、后排座的連接銷軸，縮短連接臂的實際長度，前柱頂部頂柱鉸常開觸點向前推，轉(zhuǎn)變架前梁受力特點，盡最大可能避免倒頭。

3）增加兩側(cè)支撐柱距離，增加了巡視檢查操作作業(yè)余地，極大提高了整體安全性。

3 支架使用性特征研究

曹家灘122109 智能采礦場通過采集27 號、57號、77 號、97 號、127 號支架工作時的性能參數(shù)來研究分析液控支撐架的適用性。

支撐架比較科學(xué)的作業(yè)反作用力輪廓曲線為正態(tài)分布。按每一個區(qū)間間距為1000 kN 區(qū)分成區(qū)間統(tǒng)計分析，再運算支撐架工作反作用力在各區(qū)間段占的百分比，繪出各架諸多區(qū)間的百分比的平均數(shù)值計算數(shù)據(jù)如圖4 所示。支撐架作業(yè)反作用力很多正態(tài)分布在8000～16 000 kN 區(qū)域內(nèi)，總占比超出了90%，約占支撐架額定工作阻力的38%～76%，證明支撐架作業(yè)阻力有空間，符合綜采工作面控頂標(biāo)準(zhǔn)。自礦井122109 工作面回采作業(yè)到目前為止，早已推采5300 m，日推進(jìn)10 m/d，液壓支撐架設(shè)備的運行狀態(tài)非常好，支撐架構(gòu)造完好，達(dá)到預(yù)想效果。

圖4 支架工作阻力分布曲線圖

4 結(jié)語

1）借助相關(guān)研究獲得老頂“高位臺階巖梁”構(gòu)造下淺埋煤層厚度大采高長距離作業(yè)面頂層支撐架作業(yè)反作用力計算方法，并參照場地地質(zhì)環(huán)境對支撐架完成設(shè)備的選型設(shè)計。

2）依據(jù)長距離工作面支架使用時限較長的特征，在適應(yīng)支架支護(hù)機(jī)器性能的情形下，對支撐架各部分特殊構(gòu)件段進(jìn)行特定判斷增強(qiáng)設(shè)計，解決了采煤工作面支護(hù)場景關(guān)鍵問題。

3）該液壓支撐架的作業(yè)反作用力換算公式和支撐架設(shè)備的選型結(jié)構(gòu)特點對榆林采礦點相類似物探環(huán)境下工作面和智能礦井建設(shè)提供學(xué)習(xí)和借鑒作用。