深井堅硬頂板綜放工作面支架選型計算

李衛(wèi)巖　李震

摘 要：本文以梁寶寺礦3300采區(qū)支架選型為例，介紹一種按工作面初次來壓步距，支架對頂板采取“限定變形”工作狀態(tài)的計算方法。

關(guān)鍵詞：深井；初次來壓；支架選型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.079

0 引言

近年來，隨著深井的建設(shè)，高產(chǎn)高效、高可靠性“三機(jī)”配套顯得尤為重要，以往綜放工作面支架工作阻力偏小，影響著工作面安全生產(chǎn)。合理的“三機(jī)”配套，支架選型是實現(xiàn)安全高產(chǎn)高效的基礎(chǔ)。綜放支架選型計算以往多采用頂板載荷估算法計算，往往由于老頂厚度變化較大使計算結(jié)果與實際相差較大，使得支架選型不夠科學(xué)。本文以梁玉寺礦3300采區(qū)支架選型為例，介紹一種按工作面初次來壓步距，支架對頂板采取“限定變形”工作狀態(tài)的計算方法。

1 3300采區(qū)頂?shù)装宸治?/p>

3300采區(qū)位于-780m水平以下，采區(qū)開采深度750m～1200m，采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地應(yīng)力大，由于斷裂構(gòu)造與向斜構(gòu)造的結(jié)合，采區(qū)中央形成了寬緩盆地。從區(qū)內(nèi)6個有效鉆孔分析煤層及頂?shù)装搴穸茸兓蟆?/p>

1.1 底板

3煤層底板主要由泥巖、粉砂巖組成，從單軸抗壓強(qiáng)度可知，最小為22.7 Mpa，其底板比壓大于22.7 Mpa，說明底板中硬等級，支架選型不需要考慮底板巖性。

1.2 頂板

3煤層直接頂板多為泥巖、粉砂巖組成，其抗壓強(qiáng)度值測井計算為25.8～58.2Mpa，巖樣測試為17.6～67.4Mpa，變化較大，平均值偏低，巖石的完整程度差（RQD值8～46），故多為較穩(wěn)定至不穩(wěn)定頂板。老頂為厚度16.0m左右的細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖組成，屬于堅硬頂板。

2 支護(hù)強(qiáng)度確定

2.1 控制頂板的范圍

根據(jù)煤層柱狀圖，參考正在開采的工作面巖層冒落情況，支架控制頂板包括直接頂和老頂兩部分。根據(jù)主采煤層頂板的巖層結(jié)構(gòu)，來壓強(qiáng)度預(yù)計較明顯（預(yù)計周期來壓步距18m左右），實際計算支架工作阻力時按煤層的頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)計。根據(jù)6個有效鉆孔圖，鉆孔顯示的巖層呈現(xiàn)為直接頂厚度較小，老頂厚度增加的特征，將直接頂與老頂進(jìn)行平均化處理，結(jié)果如下：直接頂為粉砂巖、泥巖互層，厚度4m左右；老頂為砂巖，厚度16m左右；老頂來壓步距平均18.0m（根據(jù)礦壓觀測類比而得）。

2.2 支護(hù)強(qiáng)度的確定

“限定變形”工作狀態(tài)計算方法。支架在“限定變形”條件下工作時，要求控制的采場頂板下沉量（）將小于巖梁裂斷處觸矸時的采場頂板下沉量（），即：。

“限定變形”條件下支架必須的阻抗能力（）值，針對已知巖梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的差異分別可由下列“位態(tài)方程”表達(dá)。包括兩種形式。根據(jù)巖梁厚度和運(yùn)動步距建立位態(tài)方程：

當(dāng)巖梁厚度及裂斷步距等，則

其中：

，

式中：PT—支架阻抗能力，KN/m2；A—直接頂?shù)淖饔昧Γ琄N/m2；Δhi—限定變形條件下控頂距處的頂板下沉量，m；ΔhA—采場支架在“給定變形”條件下的采場頂板下沉量，m，取Δhi =ΔhA；Mz—直接頂厚度，m，（根據(jù)鉆孔平均分析資料選用4.0m，98-B1鉆孔為1.63m。）；ME—老頂厚度，m，（根據(jù)鉆孔平均分析資料選用16.0m， 98-B1鉆孔為14.9m。）；γZ—直接頂?shù)娜葜兀琄N/m3，取26；γE—老頂?shù)娜葜兀琄N/m3，取26；fZ—直接頂懸頂系數(shù)（取1.0m）；C01—第一巖梁初次來壓步距，m，選用18m；RT—支架工作阻力，KN；ST—支架支護(hù)面積，m2；lK—支架控頂距離，m，選擇3.9m；CE—巖梁斷裂來壓步距，m，（依據(jù)礦壓觀測資料，預(yù)計18m）。

依據(jù)煤層的頂板結(jié)構(gòu)，老頂斷裂有可能出現(xiàn)在煤壁的剪斷形態(tài)，因此支護(hù)強(qiáng)度按極限狀態(tài)考慮。按照98-B1鉆孔3301面3305之間，老頂厚度取14.9m，取C01—第一巖梁初次來壓步距，選用18m。

經(jīng)計算，需要的支護(hù)強(qiáng)度為936.4KN/m2，考慮到老頂來壓、大采高煤壁容易片幫（片幫深度一般較小）及支護(hù)效率等因素，取1.2的安全系數(shù)，支護(hù)強(qiáng)度為8428KN/架。因此確定支架工作阻力為8600KN。

3 液壓支架的選型

支架選型應(yīng)考慮：支護(hù)強(qiáng)度與工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度相適應(yīng)；支架整體結(jié)構(gòu)與具體煤層賦存條件相適應(yīng)；支護(hù)斷面與通風(fēng)要求相適應(yīng)；推移連接裝置與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等設(shè)備相匹配。根據(jù)以上分析、計算支架的基本參數(shù)定為如下：工作阻力為8600KN，支架高度為1.9～3.8m，支架寬度為1.5m，建議架型為ZF8600/19/38。

針對我礦原使用ZF7200/18/33綜放支架出現(xiàn)的不足，對新選型的ZF8600/17/38綜放支架進(jìn)行了15處改進(jìn)。主要增加了防倒、防滑裝置；安設(shè)了護(hù)幫板；抬底油缸加固；增設(shè)了調(diào)架油缸；千斤頂改了安裝方向；所有主閥、副閥改為了不銹鋼材料；腳踏板底面及支架底座箱設(shè)置了耳子，對壓力表的安裝位置進(jìn)行了優(yōu)化；加設(shè)了多種噴霧并與立柱聯(lián)動控制；增大了放煤擺角；改成快速移架系統(tǒng)設(shè)計；立柱柱頭處擋銷進(jìn)行了加粗處理；前后立柱有雙伸縮改為單伸縮配合立柱加長段，提高支架加長段卡箍和銷子強(qiáng)度；改變支架立柱底銷子檢修更換位置。

4 結(jié)語

綜采、綜放支架選型合理與否，直接關(guān)系到工作面的安全、高效。在選型計算時，應(yīng)充分留有余地。盡可能加大支架的支護(hù)強(qiáng)度，以滿足深井高應(yīng)力沖擊型頂板來壓的需要。

作者簡介：李衛(wèi)巖（1988-），男，河南扶溝人，主要從事專業(yè)技術(shù)工作。