煤礦綜放工作面液壓支架選型技術的研究

師玉剛

（霍州煤電集團安監局五人小組，山西 霍州 031400）

1 工作面概況

某礦綜放工作面屬于該礦五采區第二個工作面，位于+750 水平五采區三條上山左翼，北部為五采區邊界，南部為五采區三條上山，東部為實體煤，西部為正在回采的5-501 工作面。設計走向長度1 617 m，傾斜長度193 m，煤層厚度6.1 m。

5 號煤層賦存于石炭二疊系山西組，煤層節理發育，黑色，玻璃光澤，成分以亮煤為主，暗煤次之，含鏡煤條帶，為簡單結構煤層，半亮煤，煤層中部有一層夾矸，夾矸為炭質泥巖，煤層厚度變化不大，屬較穩定煤層，夾矸總厚度約為0.8 m，由于泥巖普氏硬度f 為1.41～3.31，對回采影響不大。

2 液壓支架的選型設計

2.1 架型確定

1）液壓支架的架型選擇要求：支護強度及工作阻力與工作面地質條件相適應；主體結構與煤層賦存條件相適應；支護斷面與通風要求相適應；結構尺寸與運輸條件相適應。目前用于單一煤層開采的液壓支架主要有四柱支撐掩護式和兩柱掩護式兩種形式。

2）架型的選擇主要考慮四個因素：煤層厚度變化、支架搬家運輸、支護性能及其影響、支架操作及其控制。

最終，該工作面選用四柱支撐掩護式。

2.2 支架支撐高度的確定

支架的最大和最小結構高度必須適應煤層采高變化所要求的最大和最小支撐高度。支架的最大和最小支撐高度，應根據煤層厚度的變化合理選擇，支架高度可由公式（1）、公式（2）計算：

式中：Hmax為支架最大結構高度，m；Hmin為支架最小結構高度，m；Mmax為煤層最大采高，取3 m；Mmin為煤層最小采高，取2.8 m；a 為考慮偽頂冒落后，支架仍有可靠初撐力所需要的支撐高度的補償量，取0.3 m；s 為頂板最大下沉量，取0.1 m；b 為支架卸載前移時，立柱伸縮余量，取0.2 m；c 為支架頂梁上存留的浮煤和碎矸厚度，取0.1 m。

代入數值計算得Hmax≥3.3 m，Hmin≤2.4 m。

根據生產實際經驗，為防止偽頂冒落而引起支架頂空現象和一些難于預見的因素，最大結構高度Hmax要在計算的基礎上，再考慮增加0.1～0.4 m的富裕量。確定支架的最低高度時還應考慮到井下的允許運輸高度。

經過經驗公式計算可知，支架的最小支撐高度為2.4 m，最大支撐高度為3.3 m。

2.3 支架支護強度（工作阻力）的確定

從理論上分析，合理的支護強度應正好與頂板壓力相平衡，支護強度的大小應取決于工作面采場礦壓的大小。但由于目前對采場礦壓的大小還不能進行準確的定量計算，目前主要以經驗法或實測數據來確定支架的支護強度（工作阻力）。

2.3.1 采用經驗公式計算支架的支護強度

式中：q 為支護強度，MPa；K 為作用于支架上的頂板巖石系數，取8；H 為采高，3 m；γ 為頂板巖石密度，取2.5×103kg/m3；g 為重力系數，取9.8 N/kg。將數值代入公式計算得q=0.605 4 MPa。

2.3.2 按支架承受載荷計算支架的工作阻力

式中：Q 為支架工作阻力，kN；N 為采高倍數，取8；H為工作面平均采高，取3 m；F 為支架支護面積，取11.42 m2；Z 為煤層頂板巖石容重，取2.5 t/m2；1.05為考慮的富裕系數。將數值代入公式計算得Q=7 050.70 kN。

2.3.3 按最大采高計算支架的工作阻力

式中：P 為承受壓力，kN；M 為工作面最大采高，取3 m。將數值代入公式計算得P=588 kN。

2.3.4 支架控頂面積公式

式中：S 為支架控頂面積，m2；L1為支架最大控頂距（頂梁長度+端面距+截深），取6.525 m；L0為支架寬度，取1.75 m。將數值代入公式計算得S=11.42 m2。

2.3.5 支架工作阻力公式

式中：Q'為要求的支架工作阻力，kN。將數值代入公式計算得Q'=6 715 kN。經計算可知，支架立柱工作阻力Q'為6 715 kN。

2.3.6 按照Ⅰ～Ⅲ級老頂的工作阻力下限計算

2.3.6.1 液壓支架支護強度下限公式。

式中：Ps為額定支護強度下限，kN/m2；Hm為工作面煤層采高，取3 m；L 為老頂周期來壓步距，取8 m；Bc為支架控頂距（頂梁長度+端面距），取5.725 m；N'為充填系數，取2.5。將數值代入公式計算得Ps=617 kN/m2。

2.3.6.2 液壓支架工作阻力下限公式

式中：Fs為支架工作阻力下限，kN/架；Sc為支架中心距，取1.75 m；Ks為液壓支架支護效率，取0.95。將數值代入公式計算得Fs=5 872 kN。

通過計算方式可知，取最大值得出工作阻力為6 715 kN。

2.4 支架型號的確定

根據本工作面頂底板巖性、煤厚、礦壓、通風斷面等因素，確定本工作面選用ZF12000/22/35型放頂煤液壓支架，支架特征見表1。

由表1 可知，ZF12000/22/35型放頂煤液壓支架支護強度為1.14 MPa，能夠滿足工作面支架支護強度0.6276 MPa；ZF12000/22/35型放頂煤液壓支架支撐高度為2 200～3 500 mm，能夠滿足支架的最小支撐高度為2.6 m，最大支撐高度為3.5 m；故確定本工作面選用ZF12000/22/35型放頂煤液壓支架。

表1 液壓支架技術特征表

2.5 最大、最小控頂距

1）最大控頂距H大的計算

式中：H大為工作面最大控頂距，mm；L'1為支架前頂梁長度，5 325 mm；L' 為支架端面距，400 mm；L2為循環進度，800 mm。將數值代入公式計算得H大=6 525 mm。

2）最小控頂距H小的計算：

通過計算確定工作面最大控頂距為6 525 mm，最小控頂距為5 725 m。

3 液壓支架性能驗算

3.1 底板比壓

合理地選擇支架底座對底板的最大比壓（支架技術特征表中可查），是支架選型中一個很重要的指標，特別對于底板松軟的工作面更為重要，必要時應進行測定和計算。計算公式如下：

式中：q'為支架底座的最小抗壓入強度，取3.7；K1為底板載荷集中系數，取1；K2為灑水影響系數一般為0.8～1.2，取0.8；qm為支架對底板的最大比壓，可由支架特征表查得，取3.3。代入數值計算得3.7＞2.64，能夠滿足要求。

3.2 頂板覆蓋率

支架頂梁對支護面積的覆蓋率為：

式中：δ 為覆蓋率；B 為頂梁寬度，取1.75 m；K1為支架間距，取0.1 m；L頂為頂梁長度，取5.325 m；C 為端面距，取0.4 m；K1為有側護板的支架取0.1 m。將數值代入公式計算得δ=87.8%。δ 覆蓋率應符合頂板性質的要求，一般不穩定頂板不小于87%～95%；中等穩定頂板不小于75%～86%；穩定頂板不小于60%～70%。根據公式計算可知，覆蓋率為87.8%，屬于中等穩定頂板，滿足現場實際情況。

4 液壓支架性能校核

4.1 按承壓校核

式中：Pc為額定支護強度下限，kN/m2；Lp為老頂初次來壓步距，取30 m。將數值代入公式得Pc=739 kN/m2≈0.739 MPa。

綜上所述，支架額定支護強度為0.739 MPa，小于支架支護強度下限1.14 MPa，因此所選用ZF12000/22/35型放頂煤液壓支架滿足支護要求。

4.2 按支撐高度與煤層厚度變化情況校核

所選用支架最大支撐高度為3.5 m，最小支撐高度為2.2 m，煤層平均厚度為3 m，故所選用支架符合煤層變化的需要。

5 結語

現此綜放工作面正在回采，根據目前的推進情況，ZF12000/22/35型放頂煤液壓支架支護強度完全能滿足需要，希望本文闡述的液壓支架選型設計能夠為煤礦的安全生產提供參考。