淺埋煤層長距離工作面支架選型特征研究

胡魏魏

（陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710100）

針對長距離工作面的整座煤礦開采程序在技術方面和堅固值上需要更高的標準，總體分析諸多地層結構情況下煤礦開采方式造成的外覆巖石層資源開采毀壞特點，優化此種地質條件特征匹配的智能工作面開采所需要的配套設備的選型參數[1-5]，智能化礦井建設的更加合理。研究發現液壓支撐架的設備選型關鍵是分析液壓控制系統支撐架的承重載荷和頂部覆蓋圍巖穩定性會引起的上覆巖層重壓是否可以組成耦合效應，成為智能化采煤工作面液壓控制支撐架選型特征的主要參考因素[6-10]。

1 地質狀況

曹家灘智能化礦井園區直屬于陜西煤業股份有限責任公司，身處煤炭基地榆林地區，是陜煤集團在陜北能源基地建立的新時代智能化采煤工業園區，立足于智能型采礦場建造設計、智能園區建設及探礦，煤炭采掘作業面運用大批現代化科技大中型機器設備，涵括智能一體化掘錨機器、采煤工作面無線數據傳輸機器、智能化系統自動煤礦開采作業面儀器等等。高科技的煤炭能源儀器的運用讓發掘面的安排橫截面積極大擴大，曹家灘智能化礦井原煤儲存共計11 層采掘，初期設計3 層開采使用，現階段采礦場建設的主采煤層為2-2 煤，作為曹家灘智能化礦井園區首支綜合挖掘放頂煤開采的122109 作業面建設在12 盤區2-2 煤開擴運輸巷的西北側，可開采2-2 煤巷。采區內土層無巖層出露，絕大多數被風流沙層覆蓋，地表地貌特征為中間高兩邊低，自東向西走向。作業面地表地貌特點：南、北側地下賦存未開采的實體煤層，智能化工作面建設位于采空區西邊地界邊緣區域，運輸順槽建于12盤區系統大巷的保護煤層區域以內。智能工作面初采安裝寬度260 m，建設使用回采長度6004 m，回采期為17.9 個月。作業面煤系地層沉積環境簡易，智能工作面建設開采煤層均厚11.8 m，煤層傾斜角度0.4°。智能工作面安裝建設距離地表平均距離318 m。此類地質特征屬于陜北能源地區典型受淺埋煤層開采擾動的長距離智能工作面建設。

122109 工作面頂巖性主要是表面層粉砂礫巖、細粒砂礫巖，根據地質資料顯示還伴隨有中層厚泥質砂巖，主要賦存頂巖性，以厚層節理不變化的、結構均質的、不同粒徑的礫巖為主要巖石特性，偽頂巖性主要是泥質粉砂巖交錯層。煤系地層基頂、板頂均屬易軟化的中硬類巖塊。煤系地層底部主要構成為不同粒徑的泥質粉砂巖交錯層重疊累積的軟地層。

2 液壓支架選型特征

2.1 支架工作阻力模型建立

智能采礦場建設使用液壓支架開采高度高，等效荷載的直接頂垂直距離伴隨波動增加，當等效荷載工作面壁厚與開采高度比例關系變小且填充情況一樣的狀況下，由于老頂上的關鍵巖層發生回轉變形破壞且變形量急劇增大，此時的板頂構造主要以“高位臺階巖梁”構造為主。如圖1。

圖1 “高位臺階巖梁”結構模型

采高條件較大的情況下等效荷載直接頂巖層發生變形破壞，液壓支架的工作阻力計算模型如圖2。

圖2 等效直接頂支架工作阻力計算模型

等效荷載的直接頂巖層的自身載荷：

式中：B為支撐架間距；lk為液壓支架支護空間寬度；γ為上覆巖層均容重。

上覆巖層等效載荷：

式中：KG為工作阻力傳遞系數；h1為上覆工作阻力層厚度。

工作阻力傳遞系數：

式中：Kt為時間傳遞系數；Kr 為巖性傳遞系數；φ為內摩擦角；λ為側向應力集中系數。

將計算式（1）～（3）代入計算模型利用數學解析法可得：當老頂為“高位臺階巖梁”結構時支架工作阻力

煤礦122109 作業面老頂重要層壁厚為h=21.5 m，現場實測智能工作面采動影響下首采礦壓顯現推進距離157.8 m 左右，周期觀測得到礦壓震動的平均推采距離20.5 m，計算得出老頂巖梁斷裂距離l=20.5 m，載荷層壁厚為h1=7.65 m。等同荷載的直接頂巖層厚度Σhi=7.65 m，上覆巖層平均容重γ=24 kN/m3，液壓支架開采高度m=11.8 m。等同荷載的直接頂巖石受力變形極限破壞角β=45°，老頂巖層回轉變形角度θ1=10°。支撐架間距B=2.05 m，液壓支架支護空間寬度lk=6.983 m。根據場地實際測試KG=0.4，碎脹因子取Kp=1.3 運算液壓支撐架來壓工作時作業反作用力。

根據淺埋煤層理論研究條件下作業面采動影響的主要巖層為“高位臺階巖梁”構造時，由式（4）代入地質參數及計算數值，計算可得到支撐架的工作反作用力Fzj=19 193.9 kN。

2.2 支架類型結構參數選定

將曹家灘122109 智能采礦場的實際地質探查數據代入作業面計算公式，可以得到支撐架的工作反作用力?？紤]到智能工作面的建設需要，研究使用ZFY21000/34/63D 型兩柱掩護式放頂煤采煤方法液壓支撐架，關鍵的主要性能參數見表1。

表1 ZFY21000/34/63D 型放頂煤液壓支架主要性能參數

2.3 支架結構特征

曹家灘122109 智能采礦場建設使用的兩柱掩護式放頂煤液壓支撐架結構特征如圖3。

圖3 ZFY21000/34/63D 型放頂煤液壓支架結構

1）埋深較淺煤層由于設計使用液壓支架的開采高度較高，所以采后礦場壓力變化活動明顯，出于快速地操控梁板，運用核心距為2050 mm 的液控支撐架，核定正常工作時極限反作用力為21 000 kN，突出采用增加液控支撐架的缸壁壁厚，使用特殊加工的螺栓構件來進行缸體各部位連接工作?？紤]到是較長操作時限應對液壓支撐架的結構構件強度和安全保障整體性能標準非常高。

2）在保障液壓支撐架的運用能力必要條件下，提升前后支撐柱、后排座的連接銷軸，縮短連接臂的實際長度，前柱頂部頂柱鉸常開觸點向前推，轉變架前梁受力特點，盡最大可能避免倒頭。

3）增加兩側支撐柱距離，增加了巡視檢查操作作業余地，極大提高了整體安全性。

3 支架使用性特征研究

曹家灘122109 智能采礦場通過采集27 號、57號、77 號、97 號、127 號支架工作時的性能參數來研究分析液控支撐架的適用性。

支撐架比較科學的作業反作用力輪廓曲線為正態分布。按每一個區間間距為1000 kN 區分成區間統計分析，再運算支撐架工作反作用力在各區間段占的百分比，繪出各架諸多區間的百分比的平均數值計算數據如圖4 所示。支撐架作業反作用力很多正態分布在8000～16 000 kN 區域內，總占比超出了90%，約占支撐架額定工作阻力的38%～76%，證明支撐架作業阻力有空間，符合綜采工作面控頂標準。自礦井122109 工作面回采作業到目前為止，早已推采5300 m，日推進10 m/d，液壓支撐架設備的運行狀態非常好，支撐架構造完好，達到預想效果。

圖4 支架工作阻力分布曲線圖

4 結語

1）借助相關研究獲得老頂“高位臺階巖梁”構造下淺埋煤層厚度大采高長距離作業面頂層支撐架作業反作用力計算方法，并參照場地地質環境對支撐架完成設備的選型設計。

2）依據長距離工作面支架使用時限較長的特征，在適應支架支護機器性能的情形下，對支撐架各部分特殊構件段進行特定判斷增強設計，解決了采煤工作面支護場景關鍵問題。

3）該液壓支撐架的作業反作用力換算公式和支撐架設備的選型結構特點對榆林采礦點相類似物探環境下工作面和智能礦井建設提供學習和借鑒作用。