馬蘭礦井下液壓支架的選型研究

劉永峰

(西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 太原 030205)

馬蘭礦18506綜采工作面位于南五下組煤采區左翼，煤層為石炭系太原組8號煤層，屬于穩定可采的厚煤層，煤層平均厚度為4.43m，煤層傾角為0°～21°，結構復雜，中上部存在一層穩定夾矸，厚度為0.05～0.33m，該采區的西北側為已經回采完成的18054綜采面，直接頂的初次垮落步距為12～20m，周期來壓步距為9～16m。

該礦液壓支架主要用于和巷道內煤柱一起來保證井下圍巖的變形量。液壓支架和煤柱、沿空順槽的實體幫一道做為受力結構，用于承受井下巷道基本頂巖層的載荷。在支護作業時，煤礦井下基本頂巖層的回轉角和液壓支架支護時的強度息息相關[1]，液壓支架支護時的支護強度越大，井下基本頂巖層受力情況下的下沉量就越小，其回轉角就會越小，井下支護作業的安全性就越高。因此在馬蘭礦18506綜采面井下支護時，可將井下支護作業時的液壓支架與圍巖的相互關系，簡化為承載體和載荷體的相互關系，便于進行支護臨界強度的計算。

1 井下煤柱支撐力分析

由于煤礦井下巷道的基本頂的強度大于巷道直接頂和支護煤柱的強度，為了便于對煤柱的支撐力進行分析，根據馬蘭礦井下的實際情況，將18506綜采面上煤柱的下側邊界處假設為固定的邊界，而將煤柱的上側邊界假設為施加一定變形量的邊界。由于在井下煤柱的四周采用了錨網帶支護方式，因此可將井下煤柱工作時的支護阻力分別設為P1、P2。煤礦井下煤柱的力學分析模型如圖1所示,圖中b表示井下巷道順槽高度，z表示支護煤柱寬度，θ表示井下基本頂巖層的回轉角。

圖1 井下支護煤柱受力分析示意圖

為了簡化計算，將井下支護煤柱的受力分析簡化為煤柱在受力平面上的平面應變問題，并以受力情況下的位移分量來對變形勢能U進行描述[2]：

式中：

U-變形勢能；

E-煤礦井下煤層的彈性模量；

μ-煤礦井下煤層的泊松比；

w-在x軸方向上的位移分量，mm；

v-在y軸方向上的位移分量，mm。

假設在受力過程中在x軸方向上的位移分量w、在y軸方向上的位移分量v分別發生了微小的變形量δw、δv，則式（1）利用拉格朗日方程可變為：

式中：

X-煤礦井下煤層受力時在x方向上的體力分量；

Y-煤礦井下煤層受力時在y方向上的體力分量；

-煤礦井下煤層受力時在x方向上的面力分量；

-煤礦井下煤層受力時在y方向上的面力分量。

根據所設定的煤柱受力分析模型，確定馬蘭礦18506綜采面的邊界條件為：

煤礦井下煤層受力時在x方向、y方向上的體力分量均為0，煤礦井下煤層受力時在x方向和y方向上的面力分量分別為P1、P2，當y=0的情況下在x軸和y軸方向上的位移分量w、v均為0，當x=z/2的情況下在x軸和y軸方向上的位移分量w=0，v=xtanθ，y=b。

綜合分析可得井下煤柱支護時的支撐力R可表示為：

式中：

σy-作用在煤柱上的任意點的垂直應力。

根據馬蘭礦18506綜采面井下巷道巖層的實際情況，分析后確定井下煤柱工作時的支護阻力分別設為P1=P2=0.2MPa，煤礦井下煤層的彈性模量E=17.9MPa，煤礦井下煤層的泊松比μ=0.3，井下基本頂巖層的回轉角θ=2.7，最終確定井下煤柱支護時的支撐力R=6.9×103kN。由于支護區域頂板寬度為1m，因此根據承載體和載荷體的相互關系，確定了液壓支架支護時的支撐力

2 馬蘭礦井下支護液壓支架選型及工程應用

根據以上分析，最終確定綜采面所選用的液壓支架型號為ZY8000/25/50型液壓支架，其支撐高度為2500～5000mm，支護作業時的支撐寬度為1830mm，工作時的工作阻力為8000kN，支護時的初撐力約為6412kN，其支護強度為1.01MPa。

在綜采面掘進作業期間，采用該型液壓支架進行支護，其超前支護距離約為49m，采用十字布點的方案對掘進期間沿空順槽表面的位移量進行監控[3-4]，監測結果如圖2所示。

圖2 井下掘進期間沿空順槽的圍巖變形曲線

由圖2可知，通過連續64d的監測，在煤礦井下掘進期間沿空順槽的圍巖變形呈現出了先增加然后趨于穩定的變化趨勢。變形的位置主要在沿空幫處的位移和巷道頂板的下沉，左幫和右幫的移近量約為243mm，巷道頂板的下沉量約為102mm。回采期間沿空順槽表面的位移量監測結果如圖3所示。

圖3 井下回采期間沿空順槽的圍巖變形曲線

由監測結果可知，在回采期間，井下綜采面采動影響的距離約為169m，左幫和右幫的移近量約為1229mm，巷道頂板的下沉量約為292mm。由此可知，在整個井下綜采作業期間，左幫和右幫的移近量均小于所選液壓支架的有效支護寬度，頂板的下沉量也遠小于支架最低支撐高度和順槽高度值差。在整個綜采作業期間，未出現液壓支架被壓死的現象，因此所選的液壓支架完全滿足井下安全作業的需求。

3 液壓支架支護時防“壓死”措施

馬蘭礦18506綜采面液壓支架在支護作業過程中未出現“壓死”現象，一方面是由于對液壓支架支護過程中的支護力計算準確，液壓支架選型合理，另一方面主要在于采用了適宜的防“壓死”方案[5]，主要包括以下幾個方面：

（1）合理設定液壓支架的移架方式，根據井下綜采作業面的實際情況，將常用的“升降順序移架”作業流程更改為“循環拆支交替移架”作業流程，有效地降低液壓支架在移架時反復的升降對頂板的破壞。

（2）在對巷道頂板進行鉆孔后實施補強支護，在進行補強支護時可通過對巷道頂板設置錨索拉桿，避免頂煤的冒落，還可以通過增加錨桿來提高實體幫的強度，減少受力時的變形，

4 結論

本文以馬蘭礦18506綜采作業面為分析對象，結合井下實際地質狀況，對液壓支架支護時的支撐力等進行了驗算，根據驗算結果選擇了適宜的液壓支架，并對液壓支架在應用過程中井下沿空順槽的圍巖變形情況進行了監測，根據監測結果可知：

（1）對井下液壓支架支護時的支撐力驗算方案合理，結果準確性高。

（2）在整個井下綜采作業期間，左幫和右幫的移近量均小于所選液壓支架的有效支護寬度，頂板的下沉量也遠小于支架最低支撐高度和順槽高度值差。在整個綜采作業期間，未出現液壓支架被壓死的現象，因此所選的液壓支架完全滿足井下安全作業的需求。

（3）為了有效防止液壓支架支護作業時的“壓死”現象，除了要確保液壓支架選型準確外，還需要采用適宜的防“壓死”措施。