大倾角综放工作面液压支架选型与适用性研究

郝兵兵

(西山煤电集团公司， 山西 太原 030053)

1 矿井概况

西山煤电集团公司马兰矿位于山西省古交市西南15 km，矿区南北长约6.9 km，东西宽约8.5 km，矿井面积约96.8 km2，设计生产能力400万t/a. 矿井开采采用斜井立井综合开拓、走向长壁后退式一次采全高全部垮落法的综合机械化采煤方法。矿井地质构造简单，大部分煤层开采属于缓倾斜或近水平开采，煤层厚度变化不大，顶板管理简单，液压支架选型比较容易，不同采区每层开采液压支架的选型可利用原有支架的选型经验。

马兰矿12503综采工作面正常推进530 m时，矿压显现现象比较明显，煤壁剪切破坏现象增多，液压支架明显已不适合目前的开采状况。根据地质勘查报告可知，工作面继续向前推进时有一比较发育的褶皱，导致每层开采的倾角发生很大变化。为保证工作面顺利推进通过特殊的地质构造，必须对液压支架重新进行研究，选择适用于该地质条件的支护体系。

本文采用理论计算与数值分析相结合的方法，对工作面遇到特殊地质构造条件每层倾角发生大的变化时工作面液压支架的选型进行研究，且通过在线监测的方法，对液压支架的适用性进行分析，保证液压支架的选型合理、安全。

2 矿井煤岩层地质力学性质

马兰矿煤岩层共有9层，其中，12503综采工作面开采厚度平均为3.6 m，遇到褶皱时煤层倾角可达55°. 煤岩层力学性质见表1.

表1 煤岩层力学性质表

3 液压支架选型

3.1 支护强度计算

3.1.1理论计算法

液压支架的支护强度计算应根据支架工作阻力进行，对于大倾角煤层工作面开采时支架的支护强度采用如下经验公式进行计算：

Pt=9.81hρ/k

式中：

Pt—工作面合理的支护强度，kN/m2；

h—放顶煤开采时放顶高度，m，取13.4；

ρ—顶板平均密度，kg/m3，经计算，取1 490；

k—工作面上覆岩层的采厚比，大倾角开采时可取1/3～1/2.

带入数据，经计算可知，工作面液压支架的支护强度为0.6 MPa.

3.1.2模拟试验

根据马兰矿12503综采工作面的地质条件，建立FLAC 3D数值模拟弹性模型，利用库伦摩尔准则，模拟开挖过程的应力、应变的变化，得出该模型下应力的变化规律，结合此规律，模拟不同支护强度下顶板的位移变化，得出最优的支护强度。

FLAC 3D数值模型参照表1，建立长800 mm×宽500 mm×高1 000 mm的模型，对综放工作面开挖过程中应力分布规律，以及采取不同支护强度下顶板位移的变化情况进行研究，模型及应力变化见图1.

图1 数值模拟模型图

由图1可知，模型开挖过程中应力的分布为自上而下递增。液压支架的支护强度对顶板下沉量的影响也呈线性关系，见图2.

图2 控顶区支架支护强度与顶板下沉量的关系图

图2中，s为支架到综放工作面的距离，当支架的支护强度为0.7 MPa时，为保证工作面顶板实现有效控制又满足开采工艺的技术要求，在距离工作面不同距离处，选择支护强度为0.7 MPa的支架为12503综采工作面最合理的支架。

3.2 支架初撑力选择

支架若要较快发挥支撑作用，对顶板下沉量有明显的控制，必须设置合理的初撑力，这样有利于支架承受顶板来压，防止煤岩层的离层，避免早期顶板下沉量较大，下沉速度较快。

支架初撑力F的计算可根据下式：

式中：

Lα—支架宽度，m，取1.35；

γ0—煤层平均密度，kg/m3，取1 400；

h—顶煤厚度，m，取13.4；

h1—直接顶厚度，m，取8；

γ—岩石密度，kg/m3,取1.54.

经计算可知，初撑力F为3 801 kN.

3.3 支架技术参数选择

根据马兰矿的实际地质条件，结合相关技术参数，12503综采工作面中部选用平顶山煤矿机械有限责任公司设计的ZF3800/17/28型支撑掩护式液压支架，支架高度为1.6～3.6 m可调，架体整体性较好，抗扭能力强，支架连杆间距为1.25 m，支护、推移、架设方便，人行通道比较宽敞，工作阻力为3 820 kN，支护强度为0.74 MPa，支架前端的伸缩梁长度达到0.7 m，可及时对暴露的顶板进行支护，减少了顶板直接暴露的时间，安全性较高。液压支架其他参数见表2.

表2 ZF3800/17/28型液压支架其他技术参数表

4 液压支架选型考虑的影响因素

液压支架的架型选择虽取决于工作面顶板条件，还需根据马兰矿实际水文地质条件结合支架特性合理选型。

1) 煤层厚度。矿井煤层赋存厚度对支架的构造、伸缩比及支护强度造成影响。煤层厚度超过2.5 m,顶板有侧向推力或水平推力时，应选择抗扭能力强的支架,不宜选用支撑式支架。煤层厚度达到2.8 m以上，有片帮现象发生时，应选择带有护帮装置的支撑掩护式支架。

2) 煤层倾角。煤层倾角的大小对支架的稳定性造成直接影响。煤层倾角≤15°时应带有防滑装置；煤层倾角≥18°应同时带有防滑、防倒和调架装置。

3) 底板强度。支架选型时还应结合工作面底板抗压强度选型。根据支架底座构造、合力作用点位置和支架对底板的比压分布进行选定。

4) 瓦斯含量。对于瓦斯涌出量大的矿井，支架选型时应优先选型通风断面大的支撑掩护式液压支架，保证矿井的通风需求。

5) 设备技术参数的匹配。综采工作面液压支架的选型还应与采煤机、刮板输送机等设备的技术参数相互匹配。

5 适用性研究

马兰矿采用KJ21矿压动态监测系统对12503综采工作面的矿压进行实时监测，采煤工作面推进470～540 m时，对液压支架的工作阻力进行测量，并且绘制频率分布直方图，可得出支架工作阻力的分布呈正态分布形式，为比较合理的状态，工作阻力分布图见图3.

图3 支架工作阻力频率分布直方图

对正常回采时煤壁前方塑性区分布进行分析可知，在0.74 MPa的支护强度下，煤壁前方塑性分布较合理，证明选择的支架支护强度可满足本工作面继续开始的使用要求，工作面煤壁前方塑性分布图见图4.

图4 煤壁前方塑性区分布图

6 结 论

通过理论计算和数值模拟对液压支架的支护强度进行分析，确定0.7 MPa左右的液压支架支护强度比较合理，并根据地质条件及煤层物理性质，选择了适用于12503综采工作面的液压支架。经现场验证，选择ZF3800/17/28型液压支架时支架工作阻力分布合理，煤壁前方塑性分布合理，有利于安全、高效、经济生产。12503综采工作面回采期间未发生液压支架歪倒、挤架、咬架等问题,支护效果良好,有效预防了片帮冒顶的发生,矿井的单产水平和开采效率显著提升。该工作面的成功开采为大倾角大采高综采放顶煤开采技术提供了实践经验和技术保障。