沖擊傾向性工作面液壓支架選型研究

申玉明，武晉飛，楊皓博，李 凡

（陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西 咸陽 713500）

引言

在工作面回采中，液壓支架控制工作面頂板下沉，保證工作面安全回采[1]。為提高經濟效益，維護作業空間與環境，防止工作面出現壓架等不良現象[2]，需結合工作面煤層條件選擇經濟高效的合適的液壓支架，保證工作面安全開采。本文以小莊煤礦40309工作面為工程背景，理論計算校核選擇合理的液壓支架。

1 工程背景

1.1 工程概況

40309工作面位于三盤區，埋深范圍531~731 m，設計開采4號煤層，煤層均厚23.5 m，煤層傾角0°~5°；工作面寬度195 m，長度2 980 m。工作面沖擊危險綜合指數為0.571，判定40309工作面沖擊危險等級為中等，回采期間具有沖擊礦壓危險。40309工作面巷道頂底板物理力學參數見表1。

表1 巷道頂底板物理力學參數

1.2 工程問題

由工程概況可知，40309工作面直接頂與底板巖層穩定性較差，且頂板厚度變化不均，工作面穩定性大大降低[3]。因此，結合工作面煤層賦存條件、開采方式并通過理論計算確定適應于沖擊傾向性工作面的液壓支架來保證工作面安全回采。

2 液壓支架選型

2.1 選取支架類型

40309綜放工作面采用后退式走向長壁綜合機械化放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。煤層開采平均厚度15.2 m，其中割煤高度3.8 m，放煤厚度平均11.4 m，采放比為1∶3。因此，40309綜采工作面采用支撐掩護式放頂煤液壓支架支護工作面頂板。

2.2 計算支架高度

液壓支架的高度范圍由式（1）（2）計算。

式中：Mmax為煤層最大采高，3.8 m；Mmin為煤層最小采高，2.5 m；a為偽頂冒落后支架所需的支撐高度補償量，0.2 m；s為頂板最大下沉量，0.1 m；b為支架卸載前移時立柱伸縮余量，0.1 m；c為支架頂梁上存留的浮煤和碎矸石厚煤，0.1 m。代入數據，計算得液壓支架高度在2.2~4.0 m，

2.3 確定液壓支架型號與技術參數

綜合考慮工作面選取ZF14000/21/40D型放頂煤液壓支架。ZF14000/21/40D型放頂煤液壓支架結構圖如圖1。

圖1 ZF14000/21/40D型放頂煤液壓支架結構圖

如圖1所示，ZF14000/21/40D型放頂煤液壓支架的金屬部件有前梁、護幫板、伸縮梁、頂梁、頂梁側護板、掩護梁側護板、前后連桿、底座、尾梁、插板等[4]。頂梁能有效支撐破碎頂板，側護裝置能有效控制破碎頂板，保障沖擊礦壓影響下工作面頂板的穩定性[5]。

ZF14000/21/40D型放頂煤液壓的主要技術參數如下：工作阻力為14 000 kN；支架高度2.1~4.0 m；支護強度為1.59~1.61 MPa；支架寬度1.43~1.6 m；底座前端對底板比壓2.2~3.0 MPa；支架中心距1.5 m；移架步距0.8 m；支架初撐力12 040 kN；采用電液控制。ZF14000/21/40D型放頂煤液壓支架工作阻力大，能夠有效地控制頂板下沉，其較強的穩定性和抗扭性能，可以有效防治沖擊礦壓對工作面的影響。

3 液壓支架強度校核

3.1 強度校核

支架支護強度可根據需要支護的頂板載荷驗算，經驗公式校核如式（3）：

式中：P為頂板載荷（綜采工作面額定支護強度），MPa；h為最大采高，3.8 m；γ為頂板巖石容重，2.5 kN/m3。代入數據，計算得支架支護強度為0.746 MPa。ZF14000/21/40D型放頂煤液壓支護強度為1.59~1.61 MPa，滿足支護強度要求。

3.2 工作阻力校核

支架工作阻力可由式（4）：

式中：P為綜采工作面額定支護強度，0.746 MPa；L為支架中心距，1.5 m；Lk為梁端距，0.4 m；Ld為頂梁長度，四柱式取5.0 m。代入計算得支架工作阻力應大于6 042.6 kN，ZF14000/21/40D型放頂煤液壓支架工作阻力14 000 kN遠大于理論計算所要求的6 042.6 kN。

3.3 初撐力校核

初撐力強度一般為工作阻力的70%~80%[5]，從安全角度考慮，40309沖擊傾向性工作面支架的初撐力應大于工作阻力的85%，ZF14000/21/40D型液壓支架初撐力（12 040 kN）滿足初撐力要求。

3.4 底板比壓校核

支架對底板的最大比壓是衡量支架穩定性的重要參數，支架對底板的最大比壓qm校核公式如式（6）：

式中：q為實測底板的最小抗壓強度，13.2 MPa；K1為底板載荷集中系數，取3；K2為灑水影響系數，取1.4；qm為支架對底板的最大比壓，MPa。代入計算得支架對底板的最大比壓應小于3.14 MPa，ZF14000/21/40D型放頂煤液壓支架最大比壓3.0 MPa，滿足支架對底板的最大比壓要求。

通過校核可知，ZF14000/21/40D型中部液壓支架滿足40309工作面回采時的強度、工作阻力等要求，可保證工作面安全回采。

4 液壓支架應用

4.1 工作面液壓支架支護方案

40309沖擊傾向性工作面布置123架中心距為1.5m的ZF14000/21/40D型支架，機頭安設4架中心距為1.5 m的ZFG14000/24/40D過渡液壓支架，機尾安設4架中心距為1.5 m的ZFG14000/24/40D過渡液壓支架，端頭安設2架ZFT32000/21/42液壓支架。

4.2 液壓支架工作阻力監測

為觀測液壓支架在40309工作面的應用效果，對中部45號液壓支架所受載荷進行監測，得到中部45號液壓支架載荷監測圖（圖2）；每間隔15個支架對支架的所受的工作阻力進行監測，取各周期來壓期間支架最大支護阻力值得到40309工作面支架支護阻力表，見表2。

圖2 45號液壓支架載荷監測圖

表2 40309工作面支架支護阻力表

由圖2可知，來壓期間45號液壓支架最大載荷在26~30 MPa之間，液壓支架最大工作阻力均小于額定工作阻力的75%；保證工作面安全回采。

40309工作面初次來壓步距為33 m，工作面支架最大工作阻力為9 831 kN，為支架額定工作阻力14 000 kN的70.2%。由表2可知，40309工作面五次周期來壓步距均在23.2~25.6 m范圍內。其中，第四次周期來壓步距與支架工作阻力最大，步距為25.6 m，支架工作阻力為9 760 kN。周期來壓期間最大工作阻力為支架額定工作阻力14 000 kN的69.7%。

5 結論

1）基于礦壓理論計算選取的ZF14000/21/40D型液壓支架可有效防治工作面沖擊礦壓。

2）通過經驗公式的校核可知設計的液壓支架支護方案滿足工作面安全回采要求。

3）40309工作面支架的最大工作阻力在額定工作阻力的75%以內，保障工作面安全回采。