機械化采煤頂板參數與機電設備受力的分析

劉睿智

（山西陸合集團恒泰南莊煤業有限公司， 山西 臨汾 041000）

1 工作面及其水文概況

1.1 工作面

某礦1413A首采工作面北鄰Fs886邊界斷層，南至西二采區1煤系統巷道；東、西部分別與尚未回采的1414A和1412A設計工作面相鄰。工作面沿走向布置，可采長度1 245 m，傾斜長180.5 m，面積224 722.5 m2，軌順標高-482.4～-510.8 m，運順標高-492.6～-515 m。工作面地質儲量212.72萬t，可采煤量197.83萬t，采出煤量167.9萬t，采用后退式分層走向長壁綜合機械化采煤方法，全部垮落法管理頂板，下分層不小于2 m。

1.2 工作面回采水文變化

1413A工作面回采前，西二1煤采區累計施工C3Ⅰ組灰巖穿層鉆孔42個、4 419 m，順層鉆孔20個、9 186 m，測得C3Ⅰ組灰巖最大水壓 4 MPa（E12-2號孔），單孔最大水量19 m3/h（2號探放水斜巷三灰上4號孔）；灰巖鉆孔初始最大總出水量（不包括三灰上1號異常出水鉆孔）31 m3/h（2014年2月）。回采前涌水量減小為13 m3/h，最大水壓降至0.65 MPa（E2-2號孔），累計疏放灰巖水19.3萬m3。

工作面回采期間底板C3Ⅰ組灰巖含水層共設置4個測壓孔，測得最大水壓0.6 MPa，低于安全限壓值0.85 MPa，單孔最大水量4 m3/h，自開始回采到完成收作，西二1煤采區C3Ⅰ組灰巖含水層疏放水量 8.3 萬 m3。

2 頂板參數

2.1 頂板壓力預測

依巖石重量法推算綜采工作面支架支護強度Wz=H巖×γ×K。式中：H巖為上覆巖層厚度，取最大53.3 m；γ為巖石平均容重，取25 kN/m3；K為老頂動載系數，取1.2。代入數據計算得Wz=1.6 MPa。

依工作面采高推算綜采工作面支架支護強度Q=9.8×10-6×M×K'×R。式中：Q為預計頂板壓力，MPa；K'為增載系數，一般 6～11，根據同煤層其他工作面及本工作面頂板實際狀況，取K'=8；R為頂板巖石容重，取2.5×103kg/m3；M為最大采高，取6.5 m。代入數據計算得Q=1.274 MPa。

底板比壓驗算。粉砂巖底板允許比壓為14.79 MPa，而中間架和過渡架設計底板比壓平均值為3.21 MPa，顯然工作面底板允許比壓大于支架設計底板比壓，故支架不會發生鉆底現象。

依綜采工作面支架支護強度確定支架工作阻力F=Wz×S。式中：F為支架工作阻力，kN；S為支架支護面積 1.75（中心距）×5.89（最大控頂距）=10.4 m2。代入數據計算得F=16.640 MN=16 640 kN。

2.2 工作面液壓支架選型及壓力驗算

2.2.1 基本支架的規格、布置及間距

基本支架為自移式液壓支架，支架沿走向方向順序排列布置，支架中心距為1.75 m。

2.2.2 最小控頂距、最大控頂距及放頂步距

最小控頂距4 940 mm，最大控頂距5 890 mm，放頂步距900 mm。

2.2.3 頂板支護及控頂距

1）1611A工作面液壓支架型號為ZZ18000/30/65D，最大高度為6 500 mm，最小高度為3 000 mm，中心距為1 750 mm，推移行程為900 mm，初撐力為14 288 kN，工作阻力為18 000 kN，支護強度為1.84 MPa，對底板比壓為3.21 MPa，系統最大供液壓力為31.5 MPa。

2）1611A工作面乳化液泵站型號為BRW200，最大供液壓力31.5 MPa，供液流量為200 L/min，額定電壓為1 140 V，電機功率為125 kW，液箱容積3 000 L（注液箱2 000 L、六泵三箱/套）。

2.2.4 支架壓力的驗算

因為 18 000 kN＞16 640 kN，1.84 MPa＞Wz=1.6 MPa，1.84 MPa＞Q=1.274 6 MPa。所以所選支架的工作阻力符合要求。

2.3 兩巷支護強度的確定

巷道超前支護，按照最危險的角度考慮，即以巷道頂板原有支護全部失穩進行考慮。根據普氏理論（即松散介質自然平衡拱理論），此時巷道頂板冒落近似拱形，如圖1所示。

圖1 巷道頂板冒落近似拱

巷道頂板冒落高度b=a/f。式中：a為巷道寬度一半，巷道寬度為5 m，取2.5 m；f為巖石的硬度系數，參照地質說明書直接頂f=8～11，取平均值f=9.5?？傻胋=0.26 m。

單位面積頂板載荷q0=r×b。式中：r為頂板巖石容重，取25 kN/m3；b為冒落高度，為0.26 m。可得q0=6.5 kN/m2。

每米巷道頂板載荷qm=q0×2a。式中：q0為單位面積頂板載荷，6.5 kN/m2；2a為巷道寬度，5 m?？傻胵m=32.5 kN/m。

軌順巷道超前支護的有效支護由同一斷面的3根單體進行支撐時，則一根單體需支撐的巖石重力為G0=qm×5/3=32.5×5/3=54.17 kN＜250 kN，滿足要求，其中250 kN來自煤礦設備安裝工程質量驗收規范。

兩巷使用超前支架支護時，因超前支架初撐力為6 180 kN，遠大于單體支護效果，滿足支護要求。

3 結論

1）根據煤層的開采條件和地質發生特點，采用后退式分層走向長壁綜合機械化設備，由導向系統和液壓系統確定長壁俯沖和假工作面布置[1-5]。

2）根據該采區煤層賦存情況和我礦綜采工作面回采經驗，該面采用分層開采的方式進行回采，其中上分層采用后退式走向長壁綜合機械化進行回采，利用地面灌漿站輸送漿液進行注漿，造再生頂板[6-7]。

（編輯：王瑾）