8226 綜采工作面液壓支架選型與效果研究

魏武豪

（晉能控股煤業集團塔山煤礦，山西 大同 037001）

1 工程概況

晉能控股煤業集團塔山煤礦位于山西省大同煤田東翼中東部邊緣地帶，井田面積170.91 km2，礦井設計生產能力為15.0 Mt/a，礦井服務年限140 a。8226 工作面位于二盤區西南部，工作面埋深479 m，標高1414～1562 m，傾向長度275.3 m，走向長度為2 020.5 m，平均煤層厚14.85 m，平均煤層傾角2°。煤層結構復雜，煤層中含10～15 層夾矸，平均13 層，厚度1.96 m，單層厚度0.05～0.94 m，巖性為：巖漿巖、砂質泥巖、泥巖、炭質泥巖、高嶺巖，受煌斑巖侵入影響煤層上部大部變質、硅化。老頂為粗砂巖、中砂巖，平均厚度8.50 m；直接頂為泥巖、煤、炭質泥巖，平均厚度為7.63 m；直接底為高嶺質泥巖、砂質泥巖、煤，平均厚度為4.45 m；老底為中砂巖、礫粗砂巖，平均厚度為26.30 m。

根據塔山煤礦已采多個工作面的開采成果，確定8226 工作面的主要開采設備為SL-500 型采煤機、PF6/1142 型前部刮板運輸機、PF6/1542 型后部刮板運輸機，工作面采高為3.8 m，采放比為1:2.91。根據地質資料計算，刀煤割煤量為1420 t，放煤量為3 655.2 t，生產能力滿足要求。

2 液壓支架選型設計[1-6]

2.1 架型分析

塔山煤礦8226 工作面平均煤層厚度達14.85 m，結合單一走向長壁后退式一次采全高低位放頂煤綜合機械化開采工藝，確定選擇四柱支撐掩護式低位放頂煤支架。

2.2 支架支護高度的確定

支架的高度主要包括最大結構高度和最小結構高度，必須適應煤層采高變化所要求的最大和最小支撐高度。支架高度由式（1）、式（2）進行計算：

式中：Hmax為支架最大結構高度，m；Mmax為煤層最大采高，取3.8 m；a為偽頂冒落后支架具有初撐力的補償量，取0.3 m；Hmin為支架最小結構高度，m；Mmin為煤層最小采高，取3.6 m；s為頂板最大下沉量，取0.1 m；b為立柱最小可伸縮余量，取0.2 m；c為存留煤矸厚度，取0.1 m。代入數值計算得到最大結構高度Hmax為4.1 m；最小結構高度Hmin為3.2 m。

2.3 支架合理支護強度的確定

支架支護強度的計算如式（3）：

式中：qz為支架支護強度，MPa；k為動載備用系數，取1.2；γ1為頂煤容重，取14.5 kN/m3；h1為頂煤厚度，取13.01 m；γ2為頂板巖石容重，取25 kN/m3；H為影響支架巖層厚度，取18.2 m。代入數值計算得qz=1.2×（14.5×13.01+25×18.2）×10-3=0.772 MPa。

2.4 工作面支架阻力計算

（1）根據斷裂角確定支架工作阻力，根據式（4）進行計算：

式中：P1為工作阻力，kN；qz為支護強度，kN/m2；Ld為最大控頂距，取7.175 m；B為支架中心距，取1.75 m；ηs為支架的支護效率，80%。數值計算得P1=772×7.175×1.75/0.8=12 122 kN。

（2）根據8226 面現場實測數據計算支架工作阻力，如式（5）所示：

P2=（1939+2.1h+471f+155/Md）·k

式中：P2為工作阻力，kN；h為煤層埋深，取479 m；f為煤的普氏硬度系數，取3；Md為頂煤厚度，取13.01 m；k為安全系數，取1.25。代入數值計算得P2=5 462.3 kN。

（3）一次采全高結果的80%計算工作阻力。

① 采用經驗公式計算支護強度，如式（6）所示：

式 中：q1為 支 護 強 度，kN/m2；h為 采 厚，取16.81 m；γ為 容 重，取14.6 kN/m3；k為 上覆巖層厚度與采高比，取5。代入數值計算得q1=16.81×14.6×5=1 227.1 kN/m2。

② 采用巖石容重法計算支護強度，如式（7）所示：

式中：q2為支護強度，kN/m2；kd為動載系數，取1.4；M為一次采厚，取13.4 m；Kp為冒落帶巖石碎脹系數；取1.35；γ為頂板巖石容重，取25 kN/m3。代入數值計算得q2=1.4×13.4/（1.35-1）×25=1340 kN/m2。

③ 采用臨近工作面初次來壓實測值確定支護強度q3。

根據在線礦壓監測系統所得數據，支護強度q3為1105 kN/m2。

④ 可將支護強度換算為工作阻力，如式（8）所示：

式中：P3為工作阻力，kN；qmax為支護強度（取q1、q2、q3最大值），kN/m2；Ld為最大控頂距，取7.175 m；B為支架中心距，取1.75 m。代入數值計算得P3=1340×7.175×1.75×80%=13 460.3 kN。

（4）?。?）、（2）、（3）最大值為綜放工作面支架工作阻力P。

通過計算，取P1、P2、P3中的最大值，因此8226 綜采工作面支架工作阻力確定為13 460.3 kN。

通過以上計算分析，塔山煤礦8226 工作面確定選用ZF17000/27.5/42D 型支撐掩護式低位放頂煤液壓支架是可行的，計算所需工作阻力為額定阻力的79.1%，能滿足頂板控制的需要。

3 液壓支架應用效果分析

3.1 支架阻力監測

為了確定ZF17000/27.5/42D 型支撐掩護式低位放頂煤液壓支架的應用效果，對支架阻力進行監測。在8226 工作面上布置有KJ653 型煤礦頂板動態監測系統綜采支架工作阻力監測子系統，進而可以實現對支架工作阻力的有效監測。支架工作阻力監測系統通過安裝的壓力分機對壓力值進行采集，并將采集信息通過傳輸系統傳遞到地面控制中心，進而對數據進行處理和研究，實現對井下液壓支架工作阻力的實時監控。

8226 工作面ZF17000/27.5/42D 型支架共布置159架，在10#、22#、34#、46#、58#、70#、82#、94#、106#、118#、130#、144#支架上共安裝有14臺壓力分機，接入位置為支架的前柱、后柱、前梁油缸下腔。

未安裝有綜采支架工作阻力監測子系統的支架上讓其與支架電液控系統連接，通過電液控系統的控制器的數顯屏幕顯示，進而可以實現對支架前柱、后柱、前梁油缸下腔的阻力變化情況進行有效監測。

3.2 監測結果分析

從支架工作阻力監測結果可知，工作面推進至15 m 時支架工作阻力最小，為11 584 kN；推進至155 m 時支架工作阻力最大，為13 219 kN；當繼續加大推進開采距離后，支架工作阻力變大并逐漸穩定在13 650 kN 左右。從支架工作阻力監測結果表明：8226 工作面選用17 000 kN 的ZF17000/27.5/42D 型液壓支架能滿足開采要求。從開采實踐結果證明，ZF17000/27.5/42D 型液壓支架的應用，為實現塔山煤礦8226 工作面的高效安全開采奠定了基礎。