井下綜采支護安全系統的應用研究

武馬斌

（山西汾河焦煤股份有限公司，山西 洪洞 041000）

回坡底煤礦10號煤層賦存穩定，平均厚度為2.6 m，屬中厚穩定煤層，煤層結構復雜，中部含0—1層夾矸，煤層容重為1.4 t/m3，煤層傾角為1°～6°，工作面采用綜合機械化走向長壁式一次采全高采煤法。由于井下地質條件相對復雜，因此依靠傳統的根據經驗選擇液壓支架的方案存在著較大的風險，給井下綜采作業安全帶來了極大的隱患。

本文針對回坡底煤礦井下的實際情況，規范了井下液壓支架的選型原則，并針對性的進行了液壓支架關鍵參數的驗算，根據驗算結果選擇了合適的液壓支架，同時提出了一種新的井下巷道支護方案，根據實際監測表明，新的井下綜采支護體系，有效的確保了井下巷道圍巖的穩定性，具有較大的應用推廣價值。

1 支架核心參數計算

液壓支架支護的核心參數主要包括支架的支護強度、支架工作阻力、支架支護高度三個部分，其選擇合理性直接關系到井下液壓支架支護是的穩定性和可靠性。

液壓支架在支護過程中，最佳的穩定狀態時支架的支護強度和巷道頂板施加的壓力相等，若支架的支護強度太大則會導致液壓支架整體的重量大，影響井下移動的安全性和經濟性，而支架的支護強度不足則極易導致巷道頂板的下沉、頂板破碎等，影響井下的支護安全性，因此對液壓支架的合理選擇需要首先確定井下巷道頂板的礦壓波動情況，由于井下地質情況較為復雜，因此對支架支護強度的計算主要采用了經驗法+實測數據的方式來分析。

根據回坡底煤礦井下的實際情況，結合長期試驗數據觀測，提出了一種符合該礦實際的經驗公式，用于對支架的支護強度進行分析，可表示為：

式中：q為支護強度；K為巷道頂板巖石系數，一般取5～8；H為煤層的綜采高度，取2.6 m；γ為巷道頂板的巖層密度，一般取2.5×103kg/m。

經過經驗公式計算可知，支護強度為0.52 MPa。

對液壓支架工作時的支護阻力的計算，其核心要求是支架立柱的工作阻力P應滿足頂板支護強度要求，因此可采用載荷估算的方法，其公式可表示為：

式中：P為液壓支架工作阻力，kN；Lo為老頂初次來壓步距，實測為29.25 m。

P=200+8Lo=200+8×29.25=434 kN/m2支架的支護面積可表示為：

式中：F為支架的支護面積，m；L為支架頂梁長度，3.97 m；C為端面距，0.34 m；B為支架頂梁寬度，1.43 m；K1為架間距，0.1 m。

經過經驗公式P=200+8LokN/m2計算可知，支架立柱工作阻力P為2 861.926 2 kN。

支架高度一般系指支架的最大和最小結構高度，它必須適應煤層采厚變化所要求的最大和最小支撐高度。最小高度過大，可能會出現壓架現象；最大支撐高度過小，可能會造成丟煤浪費資源，或支架頂空現象。因此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，根據回坡底煤業的實際情況，其支架高度可由下式計算：

式中：Hmax為液壓支架的最大支護高度，m；Hmin為液壓支架的最小支護高度，m；Mmax為井下煤巖的最大綜采高度，實測2.7 m；Mmin為井下煤巖的最小綜采高度，實測2.5 m；a為補償量，取0.2 m；S為頂板最大下沉量，根據相鄰工作面10—102工作面觀測資料取0.1 m；b為支架立柱伸縮余量，取0.2 m；c為井下碎矸厚度，取0.1 m。

分析可知，支架的最小支撐高度為2.1 m，最大支撐高度為2.9 m。

2 液壓支架選型分析

根據煤礦井下的實際情況，確定井下綜采面選用ZY 7200—16.5/32型兩柱掩護式液壓支架，該液壓支架支護強度為0.80～0.86MPa，能夠滿足工作面工作面支架支護強度0.52MPa；其工作阻力為7200kN，能夠滿足工作面工作面支架立柱工作阻力為2861.9262kN；支撐高度為1 650～3 200 mm，能夠滿足支架的最小支撐高度為2.1 m，最大支撐高度為2.9 m。故選用ZY 7200—16.5/32型兩柱掩護式液壓支架。

3 井下巷道支護形式分析

在確定井下支護所需的液壓支架后，為了滿足井下巷道內支護安全性的需求，經過實際分析，采用了錨網梁、錨索聯合支護的結構形式，其支護結構如圖1所示。

圖1 井下巷道支護結構示意圖（mm）

由圖1可知，該支護結構采用錨網梁、錨索聯合進行支護，頂錨桿“五·五”布置，間排距1 050 mm×1 100 mm，錨桿選用Φ20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿，幫錨桿“三·三”布置，間排距1 100 mm×1 100 mm，錨桿選用Φ20 mm×1 600 mm的左旋螺紋鋼錨桿，10—1071巷錨索采用點錨索，“一·二·一”布置，錨索排距3.3 m，錨索長度為Φ17.8 mm×4 600 mm/根，錨索布置在兩排錨桿中間，每排布置一根錨索時，布置在巷道的中心，距離巷道幫部距離2200mm，每排布置兩根錨索時，錨索間距1800mm，每根錨索距離幫部1 300 mm，能夠滿足井下特殊地質條件下的支護靈活性需求。

4 井下巷道支護穩定性分析

為了對該井下綜采支護系統的支護安全性和穩定性進行驗證，在井下設立監測站，對巷道頂板和兩幫的變化量進行監測，結果如圖2所示。

圖2 井下頂板及兩幫變形量監測示意圖

由實際監測結果可知，巷道頂板和底板的下沉量都隨著監測時間的增加而增加，當在第21 d時達到最大的變形狀態，頂板的最大下沉量為158 mm，巷道兩幫的變形量最大約為140 mm，表現出了極大的穩定性，滿足井下綜采巷道支護可靠性的需求，表明了該井下綜采支護體系的可靠性。

5 結論

針對回坡底煤礦井下地質條件較為復雜，在綜采作業過程中巷道變形量大、可靠性差的不足，對液壓支架選型原則、井下巷道支護方案進行了研究，根據實際應用表明：

1）液壓支架支護的核心參數主要包括支架的支護強度、支架工作阻力、支架支護高度三個部分，其選擇合理性直接關系到井下液壓支架支護是的穩定性和可靠性。

2）工作面選用ZY 7200—16.5/32型兩柱掩護式液壓支架能夠保證井下支護的穩定性。

3）采用新的井下液壓支架綜合支護方案，能夠有效地保證井下巷道在綜采作業過程中的穩定性。