霍寶干河煤礦2-1052工作面支架選擇分析

來登峰

(山西霍寶干河煤礦有限公司 , 山西 臨汾 041602)

煤礦的巷道支架選型一直以來都是世界難題，針對此方面的研究成果數量眾多，國內外學者針對工作面的支架選型做了大量工作。馮浩等[1]通過對斜溝煤礦3403工作面支架參數優化，采用理論分析和工業試驗驗證合理性，從而實現快速安全掘進。張代詳等[2]通過對東灘煤礦3304工作面支護參數設計，結合數值模擬和現場試驗，使得采煤工作面變形得以控制。孫志勇等[3]對寺河礦西區W23013工作面進行優化設計，實現位移變形控制，提高經濟效益的目的。楊啟楠等[3]針對新莊煤礦炮采工作面的支架參數改進問題，采用理論分析查出問題從而實現安全開采。

如何選取合理的技術參數是各大礦區普遍面臨的問題，本文針對霍寶干河煤礦2-1052工作面支架選型進行討論，為實現頂板的安全控制提供依據。

1 工程背景

2-1052工作面井下相對位置在一采區的左翼，西北側為F13斷層，西南側為一采區3條大巷，東北側為小河村保安煤柱邊界，東南側為下張端斷層。工作面地表位于工業廣場東南部，地表形態屬低山黃土丘陵，以黃土梁、垣特征，黃土沖溝發育，黃土覆蓋厚度42～113 m，基巖厚度279～475 m。其中2號煤層厚度為3.4～4.4 m，平均厚度4.2 m，傾角在2～10°，煤層頂底板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，結構松軟強度較低，遇水易崩解。2煤層位于二疊系下統山西組(p1s)，光澤較暗，主要由暗煤和亮煤組成，屬半暗型煤。硬度和韌度較大，節理不發育，視密度為1.44 t/m3。

2 2-1052工作面支架選擇及主要參數計算

2.1 2-1052工作面支架支護強度與工作阻力確定

現行常用的工作阻力計算方法為采高容重法，根據礦山壓力的相關理論，工作面液壓支架需要能夠承受6～8倍采高的頂板巖石重量，霍寶干河2-1052工作面所處2號煤層具有結構強度低，遇水易垮落的特點，取8倍采高的頂板巖石重量進行計算，具體如下：

2.1.1 支架的強度計算

P=KMγcosα×10-3

(1)

式中:P為支架的支護強度，MPa；K為影響系數，取K=8；M為煤層的最大采高，取M=4.5 m；α為煤層的傾角，取α=10°；γ為容重，取25 kN/m3。

將2-1052工作面參數帶入式(1)，計算可得：P=0.64 MPa。

2.1.2 支架的工作阻力計算

支架工作阻力確定現在采用控頂面積的方式來計算，其額定工作阻力F應該滿足：

F=PBL/cosα

(2)

式中:L為液壓支架中心距，取L=1.85 m；B為控頂距，取B=5.5 m。將2-1052工作面參數帶入式(2)，計算可得：F=8 262 kN。

2.2 2-1052工作面支架支撐高度計算

合理的支架支撐高度能夠保證回采過程中工作阻力的有效發揮，霍寶干河煤礦2-1052工作面的最大煤厚為4.4 m，最小煤厚為3.4 m，支架應滿足煤厚的要求，其高度計算如下：

σ2(G)表示G中兩個不相鄰的點的最小度和。2016年,文獻[9]中給出,若樹T滿足n2(T)≤n1(T),且樹的直徑為3或任意兩樹之一的直徑為4時,那么它的點可區別邊色數為n1(T)+1,否則它的點可區別邊色數為n1(T)。

2.2.1 支架的最大支撐高度計算

Hmax=Mmax+S1

(3)

式中：Mmax為工作面最大采高，取4.4 m；S1為支撐高度富余系數，取0.1 m。

2.2.2 支架的最小支撐高度計算

Hmin=Mmin-S2

(4)

式中：Mmin為工作面最小采高，取3.4 m；S2為頂板下沉量，取0.2 m。

將各項數據帶入公式(3)、(4)可得：2-1052工作面最大支撐高度和最小支撐高度為：Hmax=4.5 m、Hmin=3.2 m。

2.2.3 2-1052工作面支架架型選擇

支護強度的確定是支架選擇的關鍵因素，針對霍寶干河煤礦的地質概況采用國家頂板分類統計法和采高倍數容重法來確定支架所需支護強度，最終實現2-1052工作面的安全高效開采。

根據地質資料查明，頂板所處2號煤層的碎漲系數為1.2；2號煤層的預開采最大高度為4.5 m；頂板的平均密度取2.5 g/cm3;支架的合理支護強度為11.2 MPa。通過安全規程可確定基本頂為2級，從而可知2號煤的支護強度下限為q=623 kN/m2。最終確定2號煤層的支架支護強度應大于0.64 MPa，出于安全考慮取為0.70 MPa。

綜上所述，結合礦上基本情況，2煤層支架阻力選擇為8 000 kN至12 000 kN可保證安全開采。對于支架的確定要滿足以下技術要求：支架高度為3.2～4.5 m，支護強度控制在0.7 MPa至2 MPa之間，工作面和2煤層條件下計算得到的工作阻力最大值為8 262 kN。根據以往支架選擇情況，2-1052工作面選用ZY9000/25.5/55型支架。

3 工作面液壓支架的布置

3.1 支架工作面布置

3.2 支架選型驗算

常用的驗算方法有按支架支護強度驗算以及按底板比壓驗算，這兩種方法與工程現場密切相關，可靠性較高。

1) 支架支護強度驗算法。首先確定支架的支護面積S，支架前梁接觸面長度與支架前梁接觸面長度的乘積計算得到7.26 m2;計算ZY9000/25.5/55型雙柱掩護式液壓支架支護強度為1.25 MPa。ZY13000/26/55型雙柱掩護式液壓支架的額定阻力Q=13 MN,計算可得其支護強度為1.65 MPa。ZY9000/25.5/55型支架強度大于支架控制強度0.7 MPa，ZY13000/26/55型亦大于其支架控制強度，所以支架強度驗算符合安全生產要求。

2) 底板比壓法。根據地質資料可知地板的巖性基本上為泥巖，其抗壓強度為9.2～12.8 MPa，ZY9000/25.5/55型支架的底板抗壓強度為2.7～3.1 MPa。通過數據對比可知支架對底板的比壓強度遠小于泥巖的抗壓強度，完全符合安全要求。

表1 2-1052工作面支架參數

綜上所示，支架強度驗算和底板比壓得出的結果證明支架選型符合要求，從而最終確定ZY9000/25.5/55和ZY13000/26/55型雙柱掩護式液壓支架作為2-1052工作面的支護設備。

4 工作面礦壓實測及分析

對2-1052工作面回采期間液壓支架工作阻力進行觀測，判斷選型是否合理。通過對15號、30號、45號、60號液壓支架阻力進行監測分析，對得到的數據處理得出支架工作阻力曲線。2-1052工作面工作阻力曲線如圖1所示。

根據圖1，2-1052工作面回采期間15號支架工作阻力平均值為6 219.4 kN,最大值為6 988.1 kN，最大值與額定值之比為83.19%；30號支架工作阻力平均值為5 877.4 kN,最大值為7 017.6 kN，最大值與額定值之比為83.54%；45號支架工作阻力平均值為6 585.5 kN,最大值為7 0412.6 kN，最大值與額定值之比為88.23%；60號支架工作阻力平均值為6 677.6 kN,最大值為7 398.3 kN，最大值與額定值之比為88.08%，均在額定阻力范圍內。根據監測數據繪制工作面工作阻力曲線如圖2所示。

圖1 各支架工作阻力變化曲線

從圖中可以看出，在工作面推進35m左右時，出現初期來壓，支架的工作阻力為37 MPa，工作面推進60 m左右時，基本頂的周期來壓現象明顯工作阻力為38 MPa，來壓步距為25 m。監測期間內其他來壓時間分別為推進86 m、112 m和137 m時，工作阻力分別為36 MPa、34 MPa和38 MPa，根據計算得出68根單體支柱的承載能力為85～112 MPa，故支架選型合理，滿足安全生產要求。

圖2 2-1052工作面工作阻力曲線

5 結 語

1) 支架高度為3.2～4.5 m，支護強度控制在0.7～2 MPa之間，工作面和2煤層條件下計算得到的工作阻力最大值為8 262 kN。根據以往支架選擇情況，2-1052工作面選用ZY9000/25.5/55型支架和ZY13000/26/55型液壓支架。

2) 實踐證明，ZY9000/25.5/55型支架和ZY13000/26/55型液壓支架對于工作面的頂板控制安全有效，可在有效承載范圍內滿足安全生要求，實現頂板變形的有效控制。