堅硬煤層綜放開采工作面液壓支架選型研究

張愛民，李 明，張巨峰

(1.甘肅靖遠煤電股份有限公司 紅會第一煤礦，甘肅 白銀 730913；2.隴東學院 能源工程學院，甘肅 慶陽 745000)

我國煤炭資源賦存豐富[1]，堅硬煤層較為普遍，因此，堅硬煤層開采空間的支護問題得到了學者們的廣泛關注[2-4]。液壓支架作為一種通過依靠底板、支撐頂板的結構物，具有護煤壁、擋矸石的作用，不僅為采煤作業人員提供了安全空間，還為煤炭綜放開采放煤、運輸提供了方便，在綜合機械化采煤作業中具有極其重要的作用[5-8]。但是，我國煤炭開采條件千差萬別，液壓支架的選型既關系著煤炭生產的安全，也關系著經濟效益，為此，國內許多學者對工作面液壓支架的選型進行了大量研究[9-13]，主要集中在薄煤層開采、殘煤復采、破碎頂板開采等條件的液壓支架選型放煤，關于堅硬煤層開采工作面液壓支架的選型研究較少。本文以甘肅靖遠礦區堅硬煤層綜放開采工作面為研究對象，開展工作面液壓支架選型，以保障工作面安全回采。

1 煤層地質及工作面概況

1.1 煤層地質條件

甘肅靖遠礦區紅會一礦1715綜放工作面所在的一煤層為侏羅系中統(J2)，煤層賦存趨勢兩翼高，中央向下屈曲，底板起伏變化較大，地質構造較為復雜，區域內由南向北有F7-19、F7-8、F7-6、F7-164條發育的斷層。F7-19正斷層與1715運輸巷走向呈51°相交，產狀為52°SE∠80°H=1.0～3.0 m。F7-8逆斷層與1715工作面走向呈70°相交，產狀為45°SW∠65°H=0～2.0 m。F7-6逆斷層與工作面走向呈45°相交，產狀為105°SW∠65°H=0～0.5 m。F7-16正斷層與工作面走向呈60°相交，產狀為84°NE∠60°H=2.4～3.0 m，對工作面回采影響較大。

1.2 工作面概況

1715綜放工作面位于礦井一煤層的七采區西北部，傾角2～9°，平均5°，工作面范圍內煤層平均厚度14.5 m，煤層結構中等，局部底板以上5.0 m處發育1層夾矸，巖性為粉砂質泥巖，厚度在0.3～0.5 m之間。煤層層理、節理較發育，容重1.35 t/m3，普氏硬度系數2.5～3.8，屬堅硬煤層，煤質牌號為不粘結煤(BN)；煤巖類型以亮型及半亮型為主，內生裂隙發育，結構簡單，賦存較穩定，工作面走向長度為602 m，傾斜長度為183 m，采用走向長壁一次采全厚綜合機械化放頂煤采煤法，后退式回采，回采方向為自北向南；采高3.0 m，放頂煤11.5 m，采放比為1∶3.8，放煤方式為“邊采邊放”，放煤步距0.6 m；采空區采用全部垮落法處理，工作面采用U型通風方式。

2 液壓支架的選型

2.1 液壓支架的選型要求

煤層綜放開采過程中，工作面液壓支架具有有效支撐煤層頂板、維持作業空間安全、順利放落頂煤的作用，因此，對于綜放開采來說，液壓支架既是支護工具，又是頂煤落放設備，液壓支架選型時必須同時考慮這兩方面的要求。由于堅硬煤層開采過程中，頂煤垮落形態規律和礦壓顯現規律的特殊性，即使采取了頂煤預先綜合弱化措施，仍需要考慮礦壓顯現劇烈、頂煤冒放塊度較大的弊端。

首先，較大塊度煤(巖)體從10 m以上的空間內變形垮落，可能對液壓支架的掩護梁產生非常大的沖擊力。為了防止工作面發生冒頂事故，保證工作面支護安全，頂煤預先弱化時，下部可能有2.5～3.0 m厚度的頂煤分層未被弱化。當這部分頂煤進入支架頂梁支護區后，需要靠支架強有力的反復支撐將其破碎才能順利放落。

其次，1715綜放工作面所在的一煤層傾角較大，最大傾角為9°，因此，液壓支架將會承受橫向上較大的水平力。

綜合以上因素，1715綜放工作面的液壓支架應具有抗沖擊性、整體穩定性和抗偏載能力，應具有盡可能大的過煤斷面和放煤口，因此，1715綜放工作面的液壓支架架型應采用四連桿機構，形成正向布置四柱支撐掩護式低位放頂煤的結構形式。

2.2 液壓支架主要技術參數確定

2.2.1 支護強度的確定

采煤工作面液壓支架的主要受力來自于上位巖層的動壓力和下位巖層的靜壓力，支護強度常采用經驗式(1)計算[4]：

(1)

式中：p為液壓支架的支護強度，MPa；H為采高，平均2.8 m；γ為頂板巖石容重，一般取2.6 t/m3；K為頂板巖石破碎膨脹系數，一般為1.25～1.5；α為工作面傾角，°；β為附加阻力系數，四柱式液壓支架一般為1.6；q為頂板周期來壓動載系數，q的取值應按照以下規則進行：周期來壓不明顯頂板，q取1.1；周期來壓明顯頂板，q取1.3；周期來壓強烈頂板，q取1.5～1.7。代入式(1)，則：

2.2.2 支架工作阻力確定

采煤工作面液壓支架工作阻力F需滿足頂板支護強度的要求，由支護強度p和支護面積S決定，可以由經驗式(2)計算[4]：

F=103qS

(2)

式中：S為支架支護面積，備選支架的支護面積一般為7.425 m2。代入式(2)，則：

F=103×0.38×7.425=2 821.5 kN

支撐掩護式和掩護式液壓支架因受立柱傾角的影響，工作阻力F小于立柱總工作阻力F總，二者的比值即為液壓支架的支撐效率η，所以，液壓支架立柱的總工作阻力F總為：

(3)

式中：η為支撐掩護式支架和掩護式支架的支撐效率，一般為80%.

代入式(3)中，則：

2.2.3 初撐力確定

采煤工作面液壓支架的初撐力是指在乳化液泵站正常工作情況下，液壓支架的所有立柱全部升起，支架頂梁支撐工作面頂板時的液壓支架支撐力。液壓支架的初撐力可按如下原則確定：

1) 當煤層頂板為不穩定或中等穩定時，液壓支架的初撐力較高，至少為工作阻力的80%.

2) 當煤層頂板為穩定頂板，液壓支架的初撐力不需要過大，一般為工作阻力的60%.

3) 當煤層頂板為周期來壓強烈的頂板時，為了避免頂板大面積周期垮落對工作面產生劇烈擾動，液壓支架的初撐力應較高，至少為工作阻力的75%.

根據1715綜放工作面煤層頂板穩定性情況及頂板周期垮落特征，以及液壓支架放煤對頂煤的反復破碎能力，液壓支架基本架及過渡架初撐力至少為4 652 kN。

2.2.4 支撐高度的確定

支架最大支撐高度按式(4)確定：

Hmax=hmax+S1

(4)

式中：hmax為最大采高，m；S1為浮煤或偽頂垮落高度，m。

1715工作面采高為3 m，浮煤或偽頂垮落高度為0.4 m，代入式(4)可得：

Hmax=3+0.4=3.4 m。

支架最小支撐高度，按式(5)確定：

Hmin≤hmin-S2-lmin-h＇

(5)

式中：hmin為煤層最小采高，m；S2為頂板最大下沉量，m；lmin為移架時支架所需的最小降架量，m；h＇為浮煤厚度，m。

1715工作面最小采高為2 m，頂板最大下沉量為0.3 m，液壓支架移架時，所需的最小降架量為0.05 m，浮煤厚度平均為0.05 m，代入式(5)可得：

Hmin=2-0.3-0.05-0.05=1.6 m。

3 液壓支架型號確定

通過計算1715綜放工作面液壓支架需要的支護強度、工作阻力、初撐力和支撐的高度等參數，液壓支架的支護強度需要大于0.38 MPa，工作阻力需要大于3 526.9 kN，最大支撐高度3.4 m，最小支撐高度1.6 m。

ZZF5200/19/32型液壓支架支護強度為0.67 MPa，端頭架前架支護強度為0.47 MPa，端頭后架支護強度為0.617～0.785 MPa，均大于計算出的支護強度，能滿足支護強度的要求。

ZZF5200/19/32型液壓支架工作阻力為5 200 kN，端頭架前、后架工作阻力均為5 200 kN，均大于計算出的工作阻力，能滿足設計要求。

因此，1715工作面端頭架選用1組ZZFT10400/20/30型端頭支架；過渡架選用6副ZZFG5200/19/32型過渡架；基本架選用115副ZZF5200/19/32型支架。支架中心距為1.50 m，架間距0.07 m(水平工作面支架不設底調油缸，所以架間距較小)，工作面最大控頂距=5.39+0.36+0.26+0.34+0.6=6.950 m，最小控頂距5.39+0.36+0.26+0.34=6.35 m，移架步距0.6 m，端面距0.34 m，放頂煤步距0.6 m。1715工作面基本支架、過渡支架和端頭支架的參數見表1。

表1 工作面支架參數

通過計算1715綜放工作面對液壓支架支護強度、工作阻力、初撐力和支護高度的要求，比對ZZF5200/19/32型液壓支架參數，得出了ZZF5200/19/32型液壓支架可以滿足1715綜放工作面的支護要求，為堅硬煤層開采的液壓支架選型提供了依據。