綜采面放頂煤液壓支架選型與參數確定研究

喬粉先

（山西省忻州市河曲縣煤炭服務中心，山西 河曲 036500）

1 13204工作面概括

麻地溝13號煤層賦存穩定，水平標高為+969m，井田內大部含3層夾矸，結構復雜。13204工作面煤層平均厚度10.95m，工作面采高為3.5m，放煤高度7.45m，采放比1：2.13。13204工作面位于二采區東部，西部隔25m煤柱為13203工作面采空區，南部到二采區回風大巷，北部到本工作面切眼，東部隔18m煤柱為本礦礦井保護煤柱，上部8、9號煤層均不可采。回采工作面采用兩條順槽，順槽采用錨網支護，回采工作面采用后退式開采。

13號煤層為全區穩定可采煤層，井田總體為一單斜構造，地層總體走向NE，傾向NW，地層傾角10～30°。頂板巖性為泥巖、炭質泥巖，厚度0.70～3.85m，平均1.5m，結構面呈水平層理，裂隙較發育；頂板泥巖抗壓強度18.1～32.7MPa，抗拉強度為0.50～2.2 MPa。底板為泥巖、炭質泥巖，厚度0.3～3.90m，平均1.30，結構面呈水平層理，裂隙較發育；底板泥巖抗壓強度15.6～19.4MPa，13號煤層下部泥巖之下灰巖的抗壓強度69.0～88.9MPa，抗拉強度為0.3～7.2 MPa。13號煤層礦床為砂巖裂隙充水礦床，礦井水文地質類型為中等類型，頂板為中等冒落的頂板。

2 13204工作面液壓支架選型與參數

2.1 初步選型

13204工作面液壓支架選型的出發點為綜放設備可靠性與國內外先進技術的采用，同時還需滿足工作面具體條件，完成綜放設備的配套選型。因此液壓支架選型需遵循以下原則：架型與地質狀況匹配，最大/最小支撐高度滿足工作面需求，可靠性滿足生產需求，斷面符合通風要求，尺寸適應礦井運輸條件等。此外當煤層厚度較大、硬度強時，液壓支架放煤口尺寸滿足頂煤對放煤空間的要求，且能上下擺動，具備一定破煤能力。

隨著工作面推進，放頂煤放出與采空區放煤量不同，使頂板形成分段來壓。放頂煤放出造成頂板合力作用點前移，進而造成支架整體受力不均勻，并且頂板合力作用點前移超出應力均衡點時，兩柱式液壓支架存在頂梁低頭的可能性。四柱式液壓支架合力作用點位置范圍更廣，但有效支護效率則相對較低。頂煤放出過程中，四柱式液壓支架頂梁較長，會對頂煤造成多次反復支撐，使頂煤充分破碎，從而利于頂煤放出。考慮到13204工作面放頂煤與頂板特性，支撐掩護式液壓支架擁有更廣的適用范圍，且穩定性高，因此為更好地適應13204工作面中等冒落頂板與圍巖實際，從安全、高效生產的目的出發，液壓支架初步選型為四柱式支撐掩護式液壓支架。

2.2 參數確定

（1）中心距。結合麻地溝13204工作面地質條件等因素，以及當前我國常用液壓支架類型，液壓支架中心距選定為L=1.5m。

（2）支護強度。液壓支架支護強度確定的影響因素眾多，包括頂板巖性、厚度與結構，以及抗壓強度與抗拉強度。液壓支架支護強度的選擇對放頂煤安全開采具有決定性影響，支護強度過大，對控制頂板下沉量影響小，支護強度過小，則易導致頂板下沉嚴重而發生支架事故。13204工作面頂板主要為泥巖及炭質泥巖，厚度0.70～3.85m，平均1.5m，結構面呈水平層理，裂隙較發育。頂板泥巖抗壓強度 18.1～32.7MPa，抗拉強度為0.50～2.2 MPa。考慮到13204工作面的實際情況，液壓支架強度確定采用估算法，具體如下：

式中：

P-液壓支架支護強度，MPa；

M1-13204工作面煤層平均高度，m；

M-機采采高，m；

γ1-煤層密度，t/m3；

γ2-巖層密度，t/m3；

α-煤層傾角，（°）。

結合13204工作面的綜合資料和相關估值，將數據帶入上式中，可得到液壓支架支護強度的范圍。

P={ 9.76×9.8×1.41·cos (20～60)+[(6～8)×3.5-9.76]×9.8×2.6·cos (20～60)}/1000

=0.42～0.59 （MPa）

（3）工作阻力。從13204工作面實際安全生產的要求出發，液壓支架工作阻力的計算方法有以下三種，結合計算結果，選擇數值最大的為液壓支架額定工作阻力的最小值。

方法二：現場實測回歸公式法，經計算P2=7219kN；

因此，結合三種方法計算的最大值，以液壓支架結構計算的參數值進行調整，確定13204工作面液壓支架工作阻力為9000kN。

（4）支撐高度。13204工作面最大機采高度為3.7m，為保證必要的作業空間，以及滿足便于頂板管理的要求，以及液壓支架與采煤設備的配套性，通過計算確定最大支撐高度的最小值，以及最小支撐高度的最大值。計算公式如下：

Hmax≥hmax+m1

Hmin≤hmin-m2-α-σa

式中：

Hmax與Hmin-分別為支架的最大、最小高度，m；

hmax與hmin-分別為工作面最大、最小采高，m；

m1-空頂或其他因素，取值300mm；

m2-支架上方頂板下沉量最大值，取值200mm；

α-支架移架所需最小可縮量，m；

σa-支架與頂板間浮矸，m。

經計算，Hmax=3.7+0.3=4.0m，Hmin=2.7-0.2-0.05-0.05=2.4m。

（5）13204工作面支架布置架數。

式中：

L工-工作面長度，取值180m；

L-液壓支架中心距，取值1.53m。

由此可知支架數量為118。為保證工作面上下順槽頭和設備機頭機尾的安全和維護，需在工作面與順槽連接的端頭加強支護，共6架，端頭端尾各3架，則中部布置112架基本液壓支架。

綜上所述，13204工作面選用ZF9000/24/40型放頂煤液壓支架，工作面端頭支護采用工作面支架配套的ZFG10800/24/38型過渡液壓支架。

3 液壓支架操作注意事項

13204工作面頂板不易管理，工程地質條件的復雜程度屬中等，因此液壓支架在實際操作中可結合工作面推進實際情況，當礦壓明顯增大時可適當加大支護長度和支護密度。在頂板管理時，隨著采煤機推進，移架工作不能滯后采煤機滾筒大于5m；片幫板需隨支架同時移動，無法收回時需保證牢固；頂板較為破碎時可采用承壓移架，當煤壁片幫嚴重時需割一架拉一架。

當選定液壓支架后通過驗證理論計算，以及支護強度數值模擬研究，最終確定13204工作面選用ZF9000/24/40型放頂煤液壓支架，工作面端頭支護采用工作面支架配套的ZFG10800/24/38型過渡液壓支架。

4 結語

最終確定的ZF9000/24/40型放頂煤液壓支架對麻地溝煤業13204工作面煤層厚度與傾斜角具有良好的適應性，且其提供的斷面空間符合13204工作面通風要求，實現了工作面的快速推進。總之，ZF9000/24/40型液壓支架在13204工作面的成功應用，實現了煤礦安全、高效、集約生產。