確定大采高開采支架工作阻力的工業實踐

閆建軍

（山西鄉寧焦煤集團申南凹焦煤有限公司， 山西 臨汾 042105）

引言

液壓支架作為綜采機組的重要部分，對特厚煤層的高效開采起著至關重要的作用，其選型需建立在合理的工作阻力上。鄉寧礦主采1-2/2-2/3-1煤層，煤層厚度在5～7.5 m之間，平均厚度為7 m，屬于特厚煤層。煤層中含夾矸，巖性為粉砂巖和泥巖，厚度為0.1～0.4 m不等。整體結構單一，傾角在1°～8°之間，裂隙發育不明顯。其中夾矸單向抗壓最低為50 MPa，最高不超過100 MPa。煤的單軸抗壓從22～57 MPa不等。

1 頂底板情況

支架作用于礦井巷道上方的頂板，起支護作用，防止開采工程中出現異常落煤或引起巷道坍塌。因此要想研究特厚煤層大采高下支架的工作阻力，就需要對頂底板情況有所了解。根據頂板巖層巖性、厚度以及變形特征、跨落難易程度可將頂板分為直接頂、老頂以及偽頂。底板情況與之相似。根據勘察情況可知鄉寧礦主采1-2/2-2/3-1煤層屬于直接頂和老頂。直接頂的巖性基本上為砂質泥巖和粉砂，呈現致密巨厚的深灰、灰白色水平層理，層間裂隙不發育較穩定，整體厚度在2.02～13.59 m，跨度比較大，均抗壓強度為41MPa，抗拉強度為2 MPa。老頂與直接頂的巖性相似，含中細粉砂、砂質泥巖，存在接觸式交接，厚度在8.52～27.02 m，跨度大于直接頂。該煤礦存在直接底及老底。直接底與直接頂巖性一致，并呈砂泥質層狀結構，厚度在4～9.27 m之間，受巖性條件影響易遇水泥化、崩解，降低底板的穩定程度。老底則為深灰色細砂、砂泥巖，厚度在3.25～11.04 m之間，呈細粒砂狀中厚/巨厚層狀結構。

2 大采高開采支架支護強度及工作阻力的確定

2.1 大采高開采支架支護強度的確定

要想確定開采支架的工作阻力，首先需要對支架的支護強度進行分析和確定，進而依據支護強度確定工作阻力。一般來講支護強度可以通過經驗估算法、實測統計法以及老頂的“短砌體梁”和“臺階巖梁”理論獲得[1]。下面就分別對這幾種方法的計算方式進行介紹，并給出相應的計算數值。

2.1.1 經驗估算法

經驗估算法具體來講可以分為三種情況，分別是采高倍數容重法、威爾遜估算法，以及上述經驗公式的融合法。采高倍數容重法顧名思義就是按照采高數倍的控頂去單位面積內的頂板容重來進行強度確定，計算公式如公式（1）：

式中：K代表作用于支架頂板的巖石厚度倍數，取6；H代表工作面采高，實際煤礦煤層平均厚度為7 m；γ代表巖石容重，取2700 kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2。根據公式（1）代入數值計算，并獲得支護強度為1.13 MPa。

2.1.2 威爾遜估算法

該估算法由英國著名學者威爾遜在研究煤礦工作面平衡問題時獲得。根據該計算方法，頂板壓力的確定僅計算直接頂的形狀和荷載，進而根據巖層存在斷角和傾斜的關系，那么支架應對直接頂厚度2倍的采高進行控制，考慮跨落巖石的松散系數為1.5倍[2]。根據松散程度，斷角取值不同。松散度越大，則斷角值越小，非常松散的斷角為0°，非常堅硬則為60°[3]。其計算公式如公式（2）：

式中：W為直接頂板巖塊質量，并由公式W=LHγ獲得。γ為巖石容重；L為工作面煤壁到頂梁后端距離；C為支架中心距離；D為工作面煤壁到支架合理的作用點距離，h為直接冒頂高度；tanα則為層面摩擦因素。分別對上述參數進行取值，其中L為6 m，H為 2 m，γ 為 2.7 t/m3，C 為 5.2 m，D 取 4 m，tanα 為0.4。結合會采面的初撐力及額定工作阻力，最終確定支架支護強度為1.05 MPa。

2.1.3 經驗公式法

根據以往的估算經驗公式，可以按照公式（3）、（4）進行支護強度推導。

式中：M為煤層厚度；γ為頂板巖石容重；d為頂板動載系數；α為煤層傾角；B為附加阻力；n為不均衡安全系數；K為巖石碎脹系數。對以上參數進行取值，M取煤層厚度均值7 m，γ為2700 kg/m3，d為1.3，傾角α為3°，B為1.2 N，n為1.75，K為1.3，最終確定支架支護強度為1.075 MPa.

2.1.2 實測統計法

實測統計法中對老頂的支護強度計算的能力較高，根據老頂的級別按照綜采工作面的強度規律，獲得計算公式（5）：

式中：h為采高，L為老頂周期來壓步距，B為控頂高度，N為直接頂厚度與采高比。根據本工作面的情況依次取值為 7 m、9 m、7 m、7.8/7。根據公式（5）計算獲得值強度為1.025 MPa。

2.2 大采高開采支架工作阻力的確定

根據上述支護強度計算方式，所獲得的支護強度屬于合理范圍，并根據該工作面的實際工況，其屬于厚表土、薄基巖條件，對于老頂而言容易發生切落或者下沉。因此考慮選用取值較大的支護強度，選擇公式（1）的計算結果1.13 MPa。本著實施容易，結合現場的工作經驗，分別對支架的中心距離按照1.75 m、2 m、2.5 m進行取值，并根據額定工作阻力的計算公式：

式中：P為支護強度；L為支架中心距離；α為立柱垂直方形傾角，取值4°。那么根據上述公式，可以獲得三種支架中心距離條件下的工作阻力值，并按照安全生產的工作要求，對計算結果進行偏大取整的方式，提升支架的初支撐能力。具體計算的工作阻力如表1所示。

表1 支架工作阻力取值

3 結語

在進行特厚煤層大采高支架工作阻力確定時，需要結合經驗估算法、實測統計法等方式對老頂、直接頂進行支護強度計算，進而結合工作阻力計算公式，確定相應的工作阻力。值得注意的是在選取支護強度取值時應明確頂板的實際工況，為防止跨落和下沉，應選取大支護強度并將工作阻力計算結果采取偏大取值的方式，保證工作安全。

[1]范公勤，吳亞運，折智，等.采空區下特厚煤層工作面支架適應性研究[J].煤炭技術，2015，34（1）：305-308.

[2]王子印.特厚煤層大采高開采技術探討[J].機械研究與應用，2017，30（4）：158-159.

[3]李龍清，巨江鵬，張星武，等.小保當礦2-2煤大采高綜采面支架工作阻力確定[J].西安科技大學學報，2015，35（3）：298-302.