薄煤層厚夾矸綜采工作面支架選擇及優化

任武軍

（山西鄉寧焦煤集團毛則渠煤炭有限公司，山西 臨汾 042100）

1 概況

河南大裕溝礦一1煤層為薄煤層，平均厚度1.0m，中間存在夾矸，平均2.0m，為低瓦斯煤層，傾角較小僅有8°左右，中間夾矸將煤層分為上部0.4m、下部0.6m。煤層頂板為太原組L灰巖，一般厚24m左右，底板為本溪組的鋁土礦或鋁土質泥巖。如何對該煤層進行安全、高效回采，其中主要問題之一就是針對該地質狀況下的支架選擇及優化。

2 現有開采技術的問題及新思路

大裕溝礦建井初期采用的回采方法為炮采一次采全高走向長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板，工作面頂板支護采用單體液壓支柱，三四排管理，密集支柱切頂。該回采方法和支護方式在生產過程中存在一系列問題：

（1）破落的煤和矸石需要進行分撿，由于矸石占的比重大，矸中拾煤的工作量較大，回采效率很低；

（2）由于大量的矸石侵占了工作面的空間，大大減少了工作面的通風空間，工作面的有害氣體不能及時散去，使工作面安全性大大降低；

（3）工作面總采高為3.0m，有中厚煤層特點，使用單體支柱進行頂板支護的安全系數較低，在一定程度上影響工作面的安全高效生產。

鑒于國內外薄煤層厚夾矸安全高效回采研究現狀，可實施綜合機械化開采[1-2]，即選用采煤機進行破煤，液壓支架進行支護，煤和矸石分別回采，先割中間夾矸，后割上下兩分層煤，最終可實現煤矸分運，效率最高。

3 液壓支架選型及優化

3.1 液壓支架支護強度理論計算

（1）載荷估算法：估算法認為支架的合理工作阻力P應能承受控頂區內以及懸頂部分的全部直接頂載重Q1，還要承受當工作面來壓時形成的附近載荷

式中：

hi-第i層直接頂厚度，m；

Li-控頂級懸頂距，m；

γi- 體積力，kN/m3。

又知M=3m，γ=27.6kN/m3

（2）基于頂板分類的支護強度計算方法：根據《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》（MT/T 554-1994）附錄D“頂板分類對液壓支架額定支護強度的要求”[4]，以及該礦實際地質資料，即一1煤老頂初次來壓當量pc=810，屬于Ⅰ級頂板，基本頂來壓不明顯，采高3m時，可確定支架支護強度下限為：

（3）建立“支架-圍巖”相互作用關系的數值模擬分析：以該礦工作面為工程背景，模擬支架在不同工作阻力下，即0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1.0MPa，分析頂板下沉規律，進而確定支架合適的支護強度。煤巖層物理力學參數表見表1。

圖1 A1～A5點下沉變化曲線

從數值模擬的結果（圖1和圖2為部分數值模擬的圖）可以看出，隨著支架支護強度的增加，頂板下沉量都是減小趨勢，支架支護強度在0.7MPa時為明顯的分界點，支架支護強度小于0.7MPa時，頂板下沉值較大，頂板變形嚴重，頂板穩定性較差；支護強度大于0.7MPa時，頂板下沉被控制在很好的范圍內，并隨著支護強度的增加，控制頂板下沉效果不太明顯，也就是說控制能力在減弱，故支護強度0.7MPa為最佳。

表1 煤巖層物理力學參數表

圖2 B1～B5點下沉變化曲線

3.2 液壓支架選型優化

（1）根據理論計算和FLAC數值模擬以及現場實測，結合國內外液壓支架發展的現狀，綜合分析ZY5200/17/37掩護式液壓支架符合要求。

（2）支架優化的關鍵在于在支架前段設立翻轉板，如圖3和圖4，翻轉板在合適的時間及時翻轉，給上分層煤一定的支撐力，要求采煤機割完矸后，及時啟動翻轉板，在割上分層煤前收回翻轉板，采煤機和翻轉板需要默契配合。

（3）完整的循環步驟：采煤機先割中間夾矸，可適當剩余0.2m左右的矸石，此時翻轉液壓支架翻轉板及時支護上分層煤，見圖5和6，完成割矸工作后，工作面刮板輸送機及時將矸石運出工作面，液壓支架翻轉板依次收回，采煤機隨之割上下分層的煤，工作面刮板輸送機將煤及時運出工作面，完成運輸后，開始下一個割矸和割煤循環。實踐證明，液壓支架前端設立翻轉板，可有效拖住上分層煤，使上分層煤更不易垮落。

圖3 翻轉板翻轉前

圖4 翻轉板翻轉后

4 結論

針對薄煤層厚夾矸綜合機械化采煤中支架選型及優化難題，通過理論分析和數值模擬，確定了工作面支架的強度，對選取的液壓支架進行了結構優化設計，滿足煤和矸分采分運需要，取得了良好效果，為相似條件下的支架選型和優化提供了可借鑒的經驗。

圖5 支架翻轉板支護前效果圖

圖6 支架翻轉板支護后效果圖