确定大采高开采支架工作阻力的工业实践

闫建军

（山西乡宁焦煤集团申南凹焦煤有限公司， 山西 临汾 042105）

引言

液压支架作为综采机组的重要部分，对特厚煤层的高效开采起着至关重要的作用，其选型需建立在合理的工作阻力上。乡宁矿主采1-2/2-2/3-1煤层，煤层厚度在5～7.5 m之间，平均厚度为7 m，属于特厚煤层。煤层中含夹矸，岩性为粉砂岩和泥岩，厚度为0.1～0.4 m不等。整体结构单一，倾角在1°～8°之间，裂隙发育不明显。其中夹矸单向抗压最低为50 MPa，最高不超过100 MPa。煤的单轴抗压从22～57 MPa不等。

1 顶底板情况

支架作用于矿井巷道上方的顶板，起支护作用，防止开采工程中出现异常落煤或引起巷道坍塌。因此要想研究特厚煤层大采高下支架的工作阻力，就需要对顶底板情况有所了解。根据顶板岩层岩性、厚度以及变形特征、跨落难易程度可将顶板分为直接顶、老顶以及伪顶。底板情况与之相似。根据勘察情况可知乡宁矿主采1-2/2-2/3-1煤层属于直接顶和老顶。直接顶的岩性基本上为砂质泥岩和粉砂，呈现致密巨厚的深灰、灰白色水平层理，层间裂隙不发育较稳定，整体厚度在2.02～13.59 m，跨度比较大，均抗压强度为41MPa，抗拉强度为2 MPa。老顶与直接顶的岩性相似，含中细粉砂、砂质泥岩，存在接触式交接，厚度在8.52～27.02 m，跨度大于直接顶。该煤矿存在直接底及老底。直接底与直接顶岩性一致，并呈砂泥质层状结构，厚度在4～9.27 m之间，受岩性条件影响易遇水泥化、崩解，降低底板的稳定程度。老底则为深灰色细砂、砂泥岩，厚度在3.25～11.04 m之间，呈细粒砂状中厚/巨厚层状结构。

2 大采高开采支架支护强度及工作阻力的确定

2.1 大采高开采支架支护强度的确定

要想确定开采支架的工作阻力，首先需要对支架的支护强度进行分析和确定，进而依据支护强度确定工作阻力。一般来讲支护强度可以通过经验估算法、实测统计法以及老顶的“短砌体梁”和“台阶岩梁”理论获得[1]。下面就分别对这几种方法的计算方式进行介绍，并给出相应的计算数值。

2.1.1 经验估算法

经验估算法具体来讲可以分为三种情况，分别是采高倍数容重法、威尔逊估算法，以及上述经验公式的融合法。采高倍数容重法顾名思义就是按照采高数倍的控顶去单位面积内的顶板容重来进行强度确定，计算公式如公式（1）：

式中：K代表作用于支架顶板的岩石厚度倍数，取6；H代表工作面采高，实际煤矿煤层平均厚度为7 m；γ代表岩石容重，取2700 kg/m3；g为重力加速度，9.8 m/s2。根据公式（1）代入数值计算，并获得支护强度为1.13 MPa。

2.1.2 威尔逊估算法

该估算法由英国著名学者威尔逊在研究煤矿工作面平衡问题时获得。根据该计算方法，顶板压力的确定仅计算直接顶的形状和荷载，进而根据岩层存在断角和倾斜的关系，那么支架应对直接顶厚度2倍的采高进行控制，考虑跨落岩石的松散系数为1.5倍[2]。根据松散程度，断角取值不同。松散度越大，则断角值越小，非常松散的断角为0°，非常坚硬则为60°[3]。其计算公式如公式（2）：

式中：W为直接顶板岩块质量，并由公式W=LHγ获得。γ为岩石容重；L为工作面煤壁到顶梁后端距离；C为支架中心距离；D为工作面煤壁到支架合理的作用点距离，h为直接冒顶高度；tanα则为层面摩擦因素。分别对上述参数进行取值，其中L为6 m，H为 2 m，γ 为 2.7 t/m3，C 为 5.2 m，D 取 4 m，tanα 为0.4。结合会采面的初撑力及额定工作阻力，最终确定支架支护强度为1.05 MPa。

2.1.3 经验公式法

根据以往的估算经验公式，可以按照公式（3）、（4）进行支护强度推导。

式中：M为煤层厚度；γ为顶板岩石容重；d为顶板动载系数；α为煤层倾角；B为附加阻力；n为不均衡安全系数；K为岩石碎胀系数。对以上参数进行取值，M取煤层厚度均值7 m，γ为2700 kg/m3，d为1.3，倾角α为3°，B为1.2 N，n为1.75，K为1.3，最终确定支架支护强度为1.075 MPa.

2.1.2 实测统计法

实测统计法中对老顶的支护强度计算的能力较高，根据老顶的级别按照综采工作面的强度规律，获得计算公式（5）：

式中：h为采高，L为老顶周期来压步距，B为控顶高度，N为直接顶厚度与采高比。根据本工作面的情况依次取值为 7 m、9 m、7 m、7.8/7。根据公式（5）计算获得值强度为1.025 MPa。

2.2 大采高开采支架工作阻力的确定

根据上述支护强度计算方式，所获得的支护强度属于合理范围，并根据该工作面的实际工况，其属于厚表土、薄基岩条件，对于老顶而言容易发生切落或者下沉。因此考虑选用取值较大的支护强度，选择公式（1）的计算结果1.13 MPa。本着实施容易，结合现场的工作经验，分别对支架的中心距离按照1.75 m、2 m、2.5 m进行取值，并根据额定工作阻力的计算公式：

式中：P为支护强度；L为支架中心距离；α为立柱垂直方形倾角，取值4°。那么根据上述公式，可以获得三种支架中心距离条件下的工作阻力值，并按照安全生产的工作要求，对计算结果进行偏大取整的方式，提升支架的初支撑能力。具体计算的工作阻力如表1所示。

表1 支架工作阻力取值

3 结语

在进行特厚煤层大采高支架工作阻力确定时，需要结合经验估算法、实测统计法等方式对老顶、直接顶进行支护强度计算，进而结合工作阻力计算公式，确定相应的工作阻力。值得注意的是在选取支护强度取值时应明确顶板的实际工况，为防止跨落和下沉，应选取大支护强度并将工作阻力计算结果采取偏大取值的方式，保证工作安全。

[1]范公勤，吴亚运，折智，等.采空区下特厚煤层工作面支架适应性研究[J].煤炭技术，2015，34（1）：305-308.

[2]王子印.特厚煤层大采高开采技术探讨[J].机械研究与应用，2017，30（4）：158-159.

[3]李龙清，巨江鹏，张星武，等.小保当矿2-2煤大采高综采面支架工作阻力确定[J].西安科技大学学报，2015，35（3）：298-302.