大傾角煤層綜采液壓支架選型研究

劉彥君

（西山煤電（集團）山西支護器材開發有限責任公司，山西 太原 030053）

1 礦井概況

西銘礦地質構造比較簡單，多數煤層開采屬于緩傾斜或近水平開采，煤層厚度變化不大，頂板管理較簡單，液壓支架選型比較容易，不同采區煤層開采液壓支架的選型可利用原有支架的選型經驗。

該礦29203工作面正常推進390 m時，礦壓顯現比較明顯，煤壁剪切破壞現象增多，液壓支架明顯已不適用目前的開采狀況。根據地質勘查報告可知，工作面繼續向前推進時有一比較發育的褶皺，導致煤層開采的傾角發生很大變化。為保證工作面順利推進通過特殊的地質構造，必須對液壓支架重新進行研究，選擇適用于該地質條件的支護體系。

本文采用理論計算加數值分析相結合的方法，對工作面遇到特殊地質構造條件煤層傾角發生大的變化時工作面液壓支架的選型進行研究，且通過在線監測的方法，對液壓支架的適用性進行分析，保證液壓支架的選型合理、安全。

2 煤巖層地質力學性質

該礦煤巖層共有9層，其中，29203工作面開采厚度平均為3.6 m，遇到褶皺時煤層傾角可達55°。煤巖層力學性質如表1所示。

3 液壓支架選型

3.1 支護強度計算

3.1.1 理論計算

液壓支架的支護強度應根據支架工作阻力進行計算，對于大傾角煤層工作面開采時支架的支護強度采用如下經驗公式進行計算：

式中：

Pt-工作面合理的支護強度，kN/m2；

h-放頂煤開采時放頂高度，此處取13.4 m；

ρ-頂板平均密度，取值1490 kg/m3。

k-工作面上覆巖層的采厚比，大傾角開采時可取 1/3～1/2。

帶入數據，經計算可知工作面液壓支架的支護強度為0.6 MPa。

表1 煤巖層力學性質

3.1.2 相似模擬試驗法

根據29203工作面的地質條件，建立FLAC3D數值模擬彈性模型，利用庫倫摩爾準則，模擬開挖過程的應力、應變的變化，從而得出該模型下應力的變化規律，結合此規律，模擬不同支護強度下頂板位移的變化，進而得出最優的支護強度。

FLAC3D數值模型參照表1的煤巖層力學性質表，建立長×寬×高=800×500×1000m的模型，對綜放工作面開挖過程中應力分布規律，以及采取不同支護強度下頂板位移的變化情況進行研究，模型及應力變化如圖1所示。

圖1 數值模擬模型

由圖1可知，模型開挖過程中應力的分布為自上而下遞增。液壓支架的支護強度對頂板下沉量的影響也呈線性關系，支架的支護強度與頂板下沉量的關系如圖2所示。

圖2 控頂區支架支護強度與頂板下沉量的關系

圖2 中，s為支架到綜放工作面的距離，當支架的支護強度為0.7 MPa時，為控制頂板下沉量最經濟與最合理的節點，所以在距離工作面不同距離處，選擇支護強度為0.7 MPa的支架為29203工作面最合理的支護強度。

3.2 支架初撐力選擇

支架如果想較快發揮支撐作用，對頂板下沉量有明顯的控制作用，必須設置合理的初撐力，這樣有利于支架承受頂板來壓，防止煤巖層的離層，從而避免了早期頂板下沉量較大，下沉速度較快。

支架的初撐力F的計算可根據下式：

式中：

Lα-支架寬度，m；

-頂板梁的長度，m；

-第一分層老頂梁的長度，m；

γ0-煤層平均密度，kg/m3；

h-頂煤厚度，m；

h1-直接頂厚度，m；

γ-巖石密度，kg/m3。

帶入數據，可知初撐力F為3801 kN。

3.3 支架技術參數選擇

根據本礦遇到的實際地質條件，結合相關技術參數，29203工作面中部選用的液壓支架型號為ZF3800/17/28，為支撐掩護式液壓支架，支架高度為1.6～3.6 m可調，架體整體性較好，抗扭能力強，支架連桿間距為1.25 m，支護、推移、架設方便，人行通道比較寬敞，工作阻力為3820 kN，支護強度為0.74 MPa，支架前端的伸縮梁長度達到0.7 m，可及時對暴露的頂板進行支護，減少了頂板直接暴露的時間，安全性較高。液壓支架技術參數詳見表2。

4 液壓支架適用性研究

采用KJ21礦壓動態監測系統對29203工作面的礦壓進行實時監測，采煤工作面推進470～540 m時，對液壓之間的工作阻力進行測量，并且繪制頻率分布直方圖，可形象地得出支架工作阻力的分布呈正態分布形式，為比較合理的狀態，如圖3所示為工作阻力分布圖。

表2 ZF3800/17/28型液壓支架其他技術參數表

圖3 支架工作阻力頻率分布直方圖

對正?；夭蓵r煤壁前方塑性區分布進行分析，可知，在0.74 MPa的支護強度下，煤壁前方塑性分布較合理，證明選擇的支架支護強度可滿足本工作面繼續開采的使用要求，如圖4所示為工作面煤壁前方塑性分布圖。

圖4 煤壁前方塑性區分布圖

5 結論

通過理論計算和數值模擬對液壓支架的支護強度進行分析，進而確定了0.7 MPa左右的液壓支架支護強度比較合理，進而根據地質條件及煤層物理性質，選擇了適用于29203工作面的液壓支架，且經現場驗證，選擇ZF3800/17/28型液壓支架時支架工作阻力分布合理，煤壁前方塑性分布合理，有利于安全、高效、經濟生產。