软煤层大采高工作面液压支架适应性分析

王衍学

（1.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024；2.华电山西能源公司，山西 太原 030006）

1 工作面概况

1301工作面为3采区首采工作面，东侧为已掘的1102巷，北侧为尚在掘进的1302 工作面，南部和西部为实体煤。该工作面所回采煤层为山西组3＃煤层，通过实验室力学试验得知，该煤层自然抗压强度为8.2～13.5 MPa，单向饱和抗压强度为4.2～7.1 MPa；硬度系数为0.53～0.69，煤层中间较硬，上部和下部相对较软；煤层主要为线理状，层状结构，中部含有均厚0.35 m 的炭质泥岩；回采范围内煤层厚度为3.5～5.6m，平均为4.5m；煤层倾角为1°～12°，平均为6.5°；工作面设计可采走向长度为1024 m，倾斜长度为180m，工作面煤层可采系数为1，变异系数为1.5，该工作面范围内煤层属于稳定可采厚煤层工作面。1301工作面顶板岩性较复杂，伪顶为均厚0.2m 的泥岩，泥岩断口处清晰可见植物根茎化石；直接顶为均厚6.5m的深灰色炭质泥岩，炭质泥岩层理裂隙较发育，完整性和强度较低；基本顶为均厚12.3m 的灰黑色粉砂岩，粉砂岩偶见白色云母片；直接底为均厚2.3 m 的深灰色砂质泥岩，砂质泥岩强度较低，遇水松软膨胀；基本底为均厚4.5 m 的灰黑色粗粒砂岩，粗粒砂岩呈厚层状，致密性较好，性脆。采场共收尾各布置ZT12000／28／62D 型端头支架3台，中间布置ZY12000／28／62D型液压支架114台。

2 工作面所需工作阻力计算

为了确定顶板压力情况，采用类比法和顶板垮落重量估算两种方式对1301工作面所需工作阻力进行计算。

2.1 统计类比法

统计类比法是确定工作面支护阻力的重要方法，该理论基础是支架所受载荷为支架上方顶煤和促使顶煤或顶板变形的岩层压力共同作用〔1-2〕。根据工作面顶板每延米阻力计算公式（1）对顶板所需工作阻力进行计算。

式中：Rh为采场支架延米载荷，kN／架；Lf为初次来压步距，取26.0m；R为控顶距，取5.9m；M 为采高，取4.5m；L为支架中心距，取1.75m。

将上述各参数带入公式（1），计算可得Rh=7289kN／架。

2.2 顶板垮落重量估算法

在进行现场计算时，技术人员常根据经验采用工作面垮落的围岩重量来进行支护阻力的确定〔3-4〕。该方法是实质是采场所需支护阻力不低于工作面垮落的岩层重量，计算见公式（2）。

式中：P为采场所需支护载荷，kN／架；Kd为动载系数，取1.8；Q 为垮落岩层重量，kN／架；R 为控顶距，取5.9m；L为支架中心距，取1.75m。

对工作面垮落岩层重量进行计算，Q=γh，γ=25kN／m3，h=M／（Kp-1），顶板岩层碎胀系数Kp=1.23，M 为煤层厚取4.5 m。将各参数带入公式（2），可得P=9051 kN／架。

综合上述两种方式计算1301综采工作面采场所需支护载荷，可知顶板所需支护阻力值为7289～9051kN／架，即液压支架额定工作阻力应不低于7289kN，根据所选用的ZY12000／28／62D型液压支架参数可知，能够满足支护要求。

3 支架实际应用情况分析

为了更好地了解ZY12000／28／62D 型液压支架是否能够满足支护要求，对1301工作面采场的支架载荷进行分析。现根据采面实际情况，可在工作面布置5个测站，每个测站布置2条测线，每条测线对应1台液压支架，测站／测线布置见图1。为了掌握液压支架载荷变化情况，在测线对应的支架上安装各安装1台尤洛卡，该尤洛卡可实时对支架载荷变化进行记录，并可通过数据采集器进行采集和传输至计算机。

图1 工作面液压支架工作阻力测区测线布置

根据矿压观测结果可知，机头部测区周期来压步距为9.5～13.6m，平均为11.2m，支架平均载荷值为2345kN，为额定工作阻力的19.54%，最大载荷值为7501kN，平均动载系数为1.5；上部测区周期来压步距为7.4～13.6m，平均为10.7m，支架平均载荷为5897kN，为额定工作阻力的49.14%，最大支架载荷为11045kN，平均动载系数为1.58；中部测区来压步距为7.8～13.1m，平均为9.8m，支架平均载荷为3673kN，为额定工作阻力的30.61%，最大支架载荷为11036kN，平均动载系数为1.72；下部测区来压步距为7.6～12.1m，平均为9.89m，平均支架载荷为3625kN，为额定工作阻力的30.21%，最大支架载荷为10048kN，平均动载系数为1.98；尾部测区来压步距为6.9～17.4m，平均为11.32m，平均支架载荷为5623kN，为额定工作阻力的46.85%，最大工作阻力为7852kN，平均动载系数为1.81。

对所测支架载荷进行统计分析，并按照1000kN 区间范围绘制成柱状图见图2。由图2可知，1301工作面所测支架平均载荷为4232kN，为额定工作阻力的35.27%，其中最大支架载荷为11045kN，为额定工作阻力的92.02%。支架载荷主要分布在1000～8000kN 范围内，约占尤洛卡记录次数的71%，且在1000～8000kN 范围内分布较均匀，各区间所占频率均分布在8%～12%范围内。观测期间，未见有超出支架额定工作阻力情况，说明该型号液压支架能够满足现场支护要求，适应性较好。

图2 1301工作面支架载荷分布情况柱状

4 结语

通过统计类比法和上覆岩层垮落重量估算法计算1301软煤层大采高工作面所需支护载荷为289～9051 kN／架，采面所选用的ZY12000／28／62D 型液压支架可满足支护要求。通过工作面采场矿压观测，得知工作面支架平均载荷4232kN，为额定工作阻力的35.27%，最大支架载荷为11045 kN，为额定工作阻力的92.02%，均在ZY12000／28／62D型液压支架额定工作阻力范围内。通过支架载荷分布情况可知，支架工作阻力主要分布在1000～8000kN 范围内，且分布较均匀。综上所述，ZY12000／28／62D型液压支架能够满足1301工作面支护需求。

〔1〕范韶刚，闫少宏，毛德兵，等.确定综放支架工作阻力的统计类比法〔J〕.矿山压力与顶板管理，2000，（4）：24-26.

〔2〕李洪彪.赵庄矿松软煤层大采高工作面矿压规律及围岩控制研究〔D〕.太原：太原理工大学，2012.

〔3〕郭明星，赵 辉.大采高液压支架选型及适应性分析〔J〕.煤炭技术，2010，（12）：4-6.

〔4〕杨 冲.厚煤层大采高综采工作面采场围岩稳定性研究〔J〕.北京：北方工业大学，2013.