大傾角綜采工作面液壓支架穩定性及適應性評價

趙 榕

（山西潞安化工集團潞寧煤業有限責任公司， 山西 忻州 036700）

引言

現階段煤炭開采逐漸向大傾角，大深度煤層發展。對于大傾角煤層而言，開采最為關鍵的任務是對工作面巖層的穩態控制。液壓支架作為綜采工作面支護的關鍵設備，根據工作面實際工況選擇最佳液壓支架，并對其在生產階段的穩定性和適應能力進行評估是保證煤礦安全生產的理論基礎。本文重點開展大傾角綜采工作面液壓支架的穩定性與適應能力研究。

1 1042 綜采工作面概況

本文以1042 綜采工作面10 號煤層開采為例開展研究。1042 綜采工作面目前核定的生產能力為185 萬t/年；該工作面實測的平均涌水量為660 m3/h，最大涌水量可達850 m3/h。1042 綜采工作面的灰巖水壓較大，主要通過導水斷層、采動裂隙涌入綜采工作面影響工作面的安全生產。1042 綜采工作面10 號煤層的地質條件如表1 所示。

表1 1042 綜采工作面10 號煤層地質條件

為準確完成10 號煤層工作面液壓支架的選型，需切實掌握其頂板的抗壓強度和抗拉強度。其中，基本頂的抗壓強度和抗拉強度分別為32.47 MPa 和2.10 MPa；直接頂的抗壓強度和抗拉強度分別為27.42 MPa 和1.60 MPa；煤層的抗壓強度和抗拉強度分別為7.27 MPa 和0.70 MPa。

2 大傾角工作面液壓支架的選型

工作面液壓支架選型可通過理論計算、工程類比以及數值模擬手段開展。在實際選型設計中，單純采用理論計算并不能夠選擇最佳的液壓支架，需通過理論計算與工程類比或者數值模擬相結合的手段完成液壓支架的選型。本文采用理論計算與數值模擬相結合的方式對10 號煤層工作面的液壓支架進行選型。

2.1 液壓支架選型的理論計算

液壓支架的選型計算需結合工作面的地質、煤層條件重點完成液壓支架支護強度、初撐力、數量以及結構等方面的計算。經計算可知，滿足10 號煤層工作面液壓支架的關鍵參數理論計算結果如表2 所示。

表2 10 號煤層工作面液壓支架關鍵參數的理論計算

針對液壓支架的頂梁結構，鑒于液壓支架所應用的工作面為大傾角工作面其頂板穩定性較差，為保證液壓支架對頂板的支護效果和較好的密封性，選擇整體剛性頂梁。

針對液壓支架的底座結構，由于工作面底板的灰巖和粉砂巖的吸水性較強且屬于相對較軟的底板，為了保證液壓支架支護后的穩定性，在一般底座的基礎上增加抬底裝置和斜撐立柱[1]。

2.2 液壓支架支護強度的數值模擬分析

液壓支架支護強度為衡量其對工作面圍巖控制效果的關鍵指標，為了驗證上述理論計算結果的適用性，基于FLAC 3D 軟件建立10 號煤層工作面的模型，并對不同液壓支架支護強度下工作面頂板的下沉量進行對比分析，最終確定最佳的液壓支架支護強度。對比的支護強度包括有0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa、0.75 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa 以及1.0 MPa，并得出如表3 所示的數值模擬結果。

如表3 所示，從整體上分析隨著液壓支架支護強度的增加，對應工作面的頂板下沉量減小。但是，當液壓支架支護強度小于0.75 MPa 的范圍內，隨著支護強度的增加工作面頂板最大下沉量的下降幅度較大；當液壓支架支護強度大于0.75 MPa 的范圍內，隨著支護強度的增加工作面頂板最大下沉量的下降幅度較小[2]。因此，綜合分析對工作面圍巖狀態的控制效果和經濟合理性，最終確定液壓支架的支護強度為0.75 MPa，與理論計算的0.74 MPa 相符合。

表3 不同支護強度對應工作面頂板的最大下沉量

綜上，最終確定10 號煤層工作面普通液壓支架的型號為ZZ8400/21/48，數量為121 架；端頭液壓支架的型號為ZQL10800/21/45，數量為3 架。

3 液壓支架的穩定性及適用性評價

本次觀測主要對工作面實際支護的液壓支架的載荷、頂板的活動規律以及工作面的支護質量進行觀測，涉及到的觀測儀器為測力儀、壓力顯示儀表[3]。礦壓觀測方案的布置如圖1 所示。

圖1 工作面支護后礦壓觀測方案

經過初步觀測判定，1042 工作面直接頂初次垮落的步距為6 m，基本頂初次來壓步距為25～30 m，基本頂周期來壓步距為13～20 m。

通過對實際生產期間工作面所布置液壓支架工作阻力的變化曲線以及所有液壓支架的平均支護阻力和最大支護阻力，得出如表4 所示的觀測值。

表4 工作面液壓支架的工作阻力測定結果

分析表4 結果可知，工作面液壓支架在實際支護過程中并未出現明顯的變形或者損壞的情況。說明，所選型的液壓支架能夠完全勝任工作面的支護要求且對應的利用率較高，實現對液壓支架支護效能的充分利用。而且，在實際生產采取了有效的穩定控制措施，確保液壓支架在支護過程中并未出現支架倒斜的現象。

4 結論

1）通過理論計算和數值模擬分析最終確定1042工作面普通液壓支架的型號為ZZ8400/21/48，數量為121 架；端頭液壓支架的型號為ZQL10800/21/45，數量為3 架。

2）所選型設計的液壓支架與1042 工作面具有較好的適用性和匹配性；而且工作面采取了有效的穩定控制措施，確保液壓支架在支護過程中并未出現支架倒斜的現象。