“孤岛”综放工作面液压支架选型设计

佟友

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

“孤岛”综放工作面液压支架选型设计

佟友

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

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为改善唐安煤矿“孤岛”综放工作面的支护状况，采用理论分析与数值模拟方法对“孤岛”综放工作面的应力分布规律进行研究，确定了支架的主要技术参数。研究结果表明:“孤岛”综放工作面超前支承应力明显高于一般综放工作面，矿山压力显现剧烈，确定支架支护强度应大于0.91MPa。经实践检验，该支架能够很好地满足工作面支护要求，对具有类似条件的矿井具有很好的参考价值。

“孤岛”综放工作面;液压支架;选型设计;数值模拟;支护强度

随着我国煤炭资源的大规模开发，许多矿井陷入资源匮乏的窘境，为了满足工作面生产接续的需要，初期采用“跳采”的工作面，现在不得不面临“孤岛”开采的情况［1－3］。

对比一般非“孤岛”综放工作面，“孤岛”综放工作面由于受前期两侧工作面开采及本次工作面开采的叠加影响，应力集中程度及矿压显现程度加剧，巷道维护困难 (巷道超前支护达到一百多米)，且容易引发冲击地压［4－5］。目前，对普通综放工作面覆岩破断结构与支承压力分布规律已进行了较多的研究［6］，放顶煤液压支架的选型设计日趋成熟，但针对“孤岛”综放工作面支架的选型设计还缺乏研究。

本文以理论分析及数值模拟为基础，对唐安煤矿“孤岛”综放工作面支架主要技术参数进行论证，研究确定了支架的合理支护强度，对于该条件下综放工作面的安全开采具有一定的参考价值。

1 矿井概述

唐安煤矿752水平四盘区工作面初期采用“跳采”，后期布置的工作面两侧均为采空区，工作面矿山压力显现剧烈，现有支架支护强度为0.6MPa，工作面顶板下沉、煤壁片帮、冒顶严重，不能满足工作面支护要求。

矿井现开采3号煤层，该煤层赋存于山西组下部，为井田内主要可采煤层，结构单一，赋存稳定。煤层厚度为5.58～6.67m，平均6.11m，厚度变化不大，含夹矸1～2层，变异系数R=4.72%，煤层倾角0～5°。

煤层伪顶一般为薄层状黑色炭质泥岩，质软，随采随落，厚度约为0.4m。当伪顶不发育时，煤层直接与直接顶或基本顶接触。直接顶为灰黑色泥质细粒结构的泥岩，质软，完整性较好，厚度约为2.7m。基本顶为灰黑色中粒结构的细砂岩，质硬，完整性较好，厚度约为4.8m。煤层直接底为灰黑色含炭化物碎片的粉砂岩，中等硬度，完整性较好，厚度约2.2m。基本底为灰黑色含少量白云母碎片的砂质泥岩，质软，厚度约1.2m。盘区内有小断层和小的陷落柱，但对回采无太大影响。煤的坚固性系数f=3，重力密度1.45t/m3，属不易自燃煤层。

2 数值模拟计算及分析

2.1 数值模拟计算方案

唐安煤矿3号煤层埋深约为350m，工作面最大机采高度为3.0m，平均放煤高度为3.11m，已开采工作面长度为180m，待开采工作面长度为180m，中间保护煤柱宽度为16m，工作面布置情况见图1所示。

图1 工作面布置

模型依照唐安煤矿实际工程地质情况建立，先对左侧工作面进行开挖，然后对右侧工作面进行开挖，并对模拟结果进行分析，然后对左右工作面进行回填，并进行岩石力学参数的弱化 (模拟采后顶板岩层垮落充填，并经过一定时期稳定的情况)，最后对中间工作面进行开挖，并对模拟结果进行分析。

2.2 数值模拟结果及分析

工作面每次推进5m，两侧工作面开挖的垂直应力分布见图2所示，其推进到105m时的超前支承应力分布规律见图3所示。

图2 两侧工作面开挖的垂直应力

图3 超前支承应力分布规律

由模拟结果可知，工作面中部前方煤壁支承应力峰值距工作面煤壁约5m［1］，工作面超前支承应力影响范围约为25～30m，两侧工作面的开挖对中间待开挖工作面有一定影响，且随着工作面推进距离的增大，对煤柱的影响逐渐增大，并趋于稳定，侧向支承应力的影响范围约为20～25m，远高于中间保护煤柱宽度。

在中间开采工作面开挖初期，超前支承应力峰值与两侧工作面相近，当工作面向前推进50m后，中间“孤岛”工作面超前支承应力峰值明显增大，“孤岛”工作面及巷道矿压显现加剧。

“孤岛”工作面超前支承应力明显大于两侧工作面，中间工作面由于两侧已经采空，超前支承应力峰值要比两侧工作面大，随之而来的是工作面矿压显现程度加剧。通过对工作面破坏区进行分析发现，中间工作面的顶板破坏高度要大于两侧工作面，对支架支护强度有更高的要求。

3 液压支架选型设计

3.1 支架高度的确定

唐安煤矿采区煤层厚度为5.58～6.67m，平均6.11m，采用沿底一次放顶煤开采。为了保证合理的采放比，确定工作面机采高度为3.0m。

为适应煤层厚度变化，支架的最大结构高度比最大采高大0.2～0.4m左右，取均值0.3，则:

选取支架最大结构高度为3300mm，根据支架立柱伸缩比的要求，支架最低高度确定为1700mm。

3.2 支架支护强度的确定

3.2.1 顶板结构分析估算法

顶板结构分析估算方法的理论基础是工作面支架工作阻力承受直接顶和顶煤的载荷，并平衡基本顶失稳时对支架的动载，支护强度计算公式为［2］:

式中，q为工作面支架所需支护强度，MPa;Kd为基本顶失稳时的动载系数，一般取1.1～1.8;qd为直接顶自重应力，kN;γd为直接顶岩层重力密度，kg/m3;h为直接顶垮落充填高度，m;qc为支架上方顶煤自重应力，kN;γc为煤层重力密度，kg/m3; Mc为支架上方顶煤高度，m;M为煤层一次采出厚度，m;Kp为直接顶垮落碎涨系数，一般取1.25～1.5。

根据矿井实际地质资料，煤层厚度取6m，机采高度取3m，放煤高度取3m，由于工作面两侧均为采空区，工作面矿山压力较大，基本顶失稳时的动载系数较大，在这里取经验最大值1.8，此方法最终确定的支架支护强度应大于0.907MPa。

3.2.2 基于支护强度与顶板下沉量的数值模拟方法

国内外研究成果表明，支架工作阻力与顶板最终下沉量ΔL(即由煤壁到采空区一侧)是一近似的双曲线，即当支架支护强度较小时，顶板 (煤)下沉量会随着支护强度的增大而急剧减小;当支护强度达到一定范围后，继续增大支护强度，对限制顶板 (煤)下沉量的作用明显减弱，也就是说在支架支护强度和顶板 (煤)下沉量关系曲线中存在一个拐点，这个拐点就是支架最合理的支护强度［3］。

为了得到支架支护强度与顶板下沉量的相互关系，分别对支架支护强度为0.4MPa，0.6MPa，0.8MPa，0.9MPa，1.0MPa，1.1MPa进行了数值模拟，并对支架后方5.0m处的顶板位移点进行监测，得到了支架支护强度与顶板下沉量的关系曲线，见图4所示。

图4 支护强度与顶板下沉量关系曲线

通过对支架支护强度与顶板下沉量关系曲线进行分析可知，支架支护强度为0.9～1.0MPa时，其顶板下沉量随支架支护强度增大而降低的程度明显减小，由此可知，支架支护强度取0.9～1.0MPa比较合理。

综合分析以上2种支架支护强度计算方法，最终确定支架的合理支护强度应大于0.91MPa，支架的工作阻力可按下式计算:

式中，F为支架工作阻力，kN;qz为支架的合理支护强度，MPa;LK为梁端距，取LK=0.36m;LD为顶梁长度，取LD=4.8m;B为支架宽度，取B= 1.5m。

根据以上计算结果，考虑支架缸径及安全阀开启压力，最终确定支架工作阻力为7200kN。

3.2.3 液压支架技术参数

根据以上计算结果，并充分考虑唐安煤矿3号煤层赋存条件，最终确定中部支架型号为ZF7200/ 17/33型放顶煤液压支架，见图5所示，其主要技术参数如下:

高度:1700～3300mm

中心距:1500mm

初撑力:6184kN(P=31.5MPa)

工作阻力:7200kN(P=36.67MPa)

支护强度:0.93～0.96MPa

移架步距:800mm

适应煤层倾角:小于等于15°

泵站压力:31.5MPa

操作方式:本架控制

支架重量:约23.5t

图5 ZF7200/17/33型放顶煤液压支架

4 结论

唐安煤矿在“孤岛”综放开采过程中工作面及巷道矿压显现剧烈，原有支架支护强度不能满足矿井安全开采要求，通过理论分析及数值模拟计算，发现“孤岛”综放工作面超前支承应力明显高于一般综放工作面，超前支承应力影响范围约为25～30m，侧向支承应力的影响范围约为 20～25m，最终确定支架支护强度应大于0.91MPa，设计中部支架型号为ZF7200/17/33，过渡支架型号为ZFG8000/18.5/33H。经实践检验，能够很好地满足矿井安全、高效开采要求。

［1］苏林军.金山坡煤矿液压支架选型设计［J］.煤矿开采，2008，13(8):70－71.

［2］秦忠诚，王同旭.深井孤岛综放面支承压力分布及其在底板中的传递规律［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(7): 1127－1131.

［3］曹胜根，缪协兴.超长综放工作面采场矿山压力控制［J］.煤炭学报，2001，26(6):621－625.

［4］赵国栋，康立军.孤岛煤柱综放面矿压显现特征浅析［J］.西安科技学院学报，2000(6).

［5］靳钟铭，魏锦平，靳文学.放顶煤采场前支承压力分布特征［J］.太原理工大学学报，2001，32(3):216－218.

［6］陈忠辉，谢和平.综放采场支承压力分布的损伤力学分析［J］.岩石力学与工程学报，2000，19(4):436－439.

［责任编辑:徐亚军］

TD355.42

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1006-6225(2012)04-0044-03

2012－02－02

佟 友 (1977－)，男，河北秦皇岛人，工程师，现从事液压支架设计工作。