天合煤礦11201綜采工作面支架工作阻力計算探析

姬鵬錦， 王海浪， 陳國棟

(貴州誠搏煤業有限公司天合煤礦，貴州 習水 564600)

根據支架和圍巖力的相互作用，可將液壓支架分為支撐式、掩護式和支撐掩護式三種類型。不同類型的支架有不同的特點，適用情況也有所不同，如支撐式支架的頂梁較長，有良好的切頂性能，且結構簡單，在中等穩定以上情況適用；掩護式支架的頂梁相對較短，但掩護梁長，有良好的防矸性，在頂板破碎及中等穩定以下情況適用；支撐掩護式支架頂梁長、掩護梁短，主要起支撐作用，還有一定掩護性能，在頂板破碎及大頂壓情況下均可使用。支架選型除了要根據頂板實際情況進行，還要通過計算確定工作阻力，以保證選型的正確性、可行性。

1 天合煤礦11201綜采工作面概況

天合煤礦主要可采煤層為C5、C8、C12煤層，11201綜采工作面為C12層，為含煤地層龍潭組P3l下部。根據天合煤礦安全專篇描述C12煤層：煤層厚1.80～2.00 m，平均厚1.90 m，煤層平均傾角約14°，煤層結構較復雜，頂板為粉砂巖、細砂巖，較堅硬完整，穩定性好，在煤層與圍巖之間有一層偽頂，底板為黏土巖，上距C8煤層23 m，屬較穩定的可采煤層。根據地質資料可知，C12煤層在礦區內呈層狀產出，煤層厚度穩定，煤層結構及頂、底板巖性變化不大，全區可采。

2 支架選型

根據地質資料，C12煤層直接頂以粉砂巖為主，平均厚度3 m；粉砂質泥巖和細砂巖質地堅硬且比較完整，有良好的穩定性。老頂以泥質粉砂巖與細砂巖為主，平均厚度21 m，質地堅硬，連續且完整，以層狀產出，層厚變化小。據此可判斷直接頂與老頂均屬于III穩定頂板。

直接底以鋁土質泥巖為主，層厚5～7 m，呈淺灰色的黏土巖，在遇水后會產生底鼓。通過揭露，直接底為灰巖鋁土質泥巖含團塊黃鐵礦，質地堅硬；老底的厚度超過100 m，以層狀產出，連續且完整，質地堅硬。據此可判斷直接底與老底均屬II松軟類型。

現階段工作面所用支架為掩護式支架，采用這一支架可以抵御采空區頂板發生垮落后由大塊矸石對其尾梁造成的沖擊，從而有效控制頂板，提供充足大切頂力，避免仰俯角與歪斜度增大。初次來壓與周期來壓支架都沒有發生傾倒，為保證支架適用性及維護便利性，將掩護式支架(圖1)作為首選類型。

圖1 掩護式支架

1—掩護梁；2—頂梁；3—立柱；4—側護板；5—連桿；6—推移千斤頂；7—底座

3 支架工作阻力計算

3.1 利用采高容重法計算支架工作阻力

采高容重法根據周期來壓過程中上部巖層發生移動后影響的范圍對工作阻力進行確定，目前國內主要采用采高倍數與巖石容重乘積確定不同條件下支架需要達到的工作阻力。利用該方法的經驗公式進行計算，支架應能支持采高巖石質量的4～8倍，工作阻力計算公式為：

F=8MRgBLKcosα(1)

式(1)中，M為采高，取2 m；R為巖石容重，取2.5×103kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；B為支架的中心距，取1.5 m；LK為支架可以達到的最大控頂距，取4.5 m；α為煤層的傾角，取14°。

將以上數值代入到式(1)，可得工作阻力為2 567.4 kN。

實際生產中，支架支撐效率不可能為100%，所以理論計算確定的工作阻力往往比實際需要的阻力大，可表示為：

F理=F/KS(2)

式(2)中，KS表示支撐效率，由于目前以支撐掩護式支架最為常用，結合該煤礦實際情況，當采用掩護式支架時，其支撐效率取0.7(當為掩護式支架時，支撐效率為0.65～0.75；當為支撐掩護式支架時，支撐效率為0.80～0.95；當為支撐式支架(圖2)時，支撐效率為0.90～0.96)。

圖2 支撐式支架

將以上數值代入到式(2)，可得理論工作阻力為3 667.7 kN。

3.2 利用頂板結構法計算支架工作阻力

利用這一方法計算支架工作阻力，在初次來壓時可采用下列公式計算：

F=BLKMZgLKRZ(3)

式(3)中，B為支架中心距，取1.5 m；LK為支架可以達到的最大控頂距，取4.5 m；MZ為從直接頂上垮落的巖石總厚度，m；g為重力加速度，取9.8 m/s2；RZ為從直接頂上垮落的巖石容重，kg/m3。由于煤層回采時易產生垮塌，所以MZ取3 m，RZ取2.5×103kg/m3。

將以上數值代入到式(3)，可得初次垮落條件下支架工作阻力為2 232.56 kN。

采用上述方法確定理論工作阻力為3 189.37 kN。

3.3 根據行業標準確定支架工作阻力

根據行業標準確定支架工作阻力的計算公式為：

P=72.3M+4.5C1+78.9LK-10.24N-62.1(4)

式(4)中，P為直接頂的額定支護強度，kN/m2；M為采高，取2 m；C1為直接頂在初次垮落時對應的步距，取22.5 m；LK為支架可以達到的最大控頂距，取4.5 m；N為直接充填系數，根據經驗取采高高度2 m。

將以上數值代入到式(4)，可得 值為518.32 kN/m2，即支護強度不能低于518.32 kN/m2。對于液壓支架，其工作阻力可采用以下公式進行計算：

F=P(BLK/KS)(5)

式(5)中，P為直接頂的額定支護強度，取518.32 kN/m2；B為支架中心距，取1.5 m；LK為支架可以達到的最大控頂距，取4.5 m；KS為支撐效率，取0.7。

將以上數值代入到式(5)，可得工作阻力為4 998.1 kN。

3.4 利用老頂結構法計算支架工作阻力

因貴州一般無沖擊地壓，所以該方法很少使用。在老頂初次來壓情況中，可采用以下公式確定支架工作阻力：

(6)

式(6)中，B為支架中心距，取1.5 m；LK為支架可以達到的最大控頂距，取4.5 m；MZ為從直接頂上垮落的巖石總厚度，m；g為重力加速度，取9.8 m/s2；ME為從直接頂上垮落的巖石容重，kg/m3； 為老頂巖石厚度，m；RE為老頂巖石容重，kg/m3；C1為老頂在初次垮落時對應的步距，m。

由于煤層回采時易產生垮塌，所以 取3 m；老頂巖石以泥質粉砂巖與細砂巖為主，質地堅硬，連續且完整，以層狀產出，層厚變化小，層厚21 m，故其ME取21 m；RZ與RE的值取2.5×103kg/m3；C1取經驗值，為22.5 m。

將以上數值代入到式(6)，可得工作阻力為10 914.75 kN。采用式(2)計算理論工作阻力為12 840.88 kN(支撐效率取0.85)。

4 結論與建議

根據本次選型計算可得：(1)可采用采高容重法、直接頂結構法、老頂結構法和行業標準計算支架工作阻力；(2)支架選型宜以掩護式支架為主；(3)根據以上計算結果，支架工作阻力應達到5 000 kN以上。