四柱式液压支架在薄基岩煤层工作面中的适应性研究

何善龙 杨积海 桑延庆

（淮浙煤电公司顾北煤矿，安徽 淮南 232151）

1 工程概况

淮浙煤电公司顾北煤矿1512(3)工作面运输顺槽和轨道顺槽巷均沿煤层倾向布置。工作面回采上限标高为-391m，下限标高为-497m，工作面面长195m；煤厚4.3～6.0m；采高2.8～4.5m；倾角3～7°，平均5°。因该矿与其类似条件的工作面1202（3）回采时出现整个工作面压架现象，为了1512（3）工作面的回采安全，进行了该面的支架选型研究并进行了适应性评价。

2 支架合理选型

2.1 工作面液压支架工作阻力的数值计算分析

（1）数值模型的建立

为了确定工作面支架荷载情况，按工作面钻孔柱状及相应岩层物理力学参数，采用FLAC3D建立模型进行模拟，模型长宽均为400m，高180m；工作面采宽定为195m，采高为5m，开挖步距20m，四柱式液压支架通过梁、壳单元组合形成。具体结果如下图1所示。

（2）结果分析

工作面内部液压支架工作阻力呈脉状分布，即工作面中上部及中下部出现工作阻力最大值，单根立柱的阻力为2940kN，即整架工作阻力为11760kN，中部及两端相对较低，工作面中部支架阻力为最大阻力的83.7%，两端支架阻力为最大阻力的70.1%。具体如图2所示（推进到200m时）。

2.2 工作面液压支架架型选择

目前，液压支架常用种类有支撑式、掩护式和支撑掩护式。

通过对各类型液压支架的特点分析及结合淮南矿业集团提高开采上限综采工作面开采实践，建议首采面选用四柱支撑掩护式液压支架。

图1 液压支架运行状态图

图2 支架工作阻力图

（1）液压支架高度选择

液压支架为适应煤层厚度变化达到一次采全高，煤层最大厚度为6.2m，最小厚度为4.3m，平均厚度为5.4m，煤层发育稳定；本工作面回采高度2800～4500mm间变化，为保证工作面初采时的安全，确定液压支架的最大高度为5.0m，最小高度为2.4m。

（2）工作阻力

液压支架支护强度估算 (岩重法)：

按照煤层开采最大厚度进行验算

式中：

N-支架载荷相当采高岩重的倍数。中等稳定顶板以下取6～8。

h-采高，取5.4m。

γ-顶板岩石密度，取2.5t/m3。

按1.75m宽支架计算

式中：

KD-动载系数。取1.25～1.35；

F-支架的支护面积，取8.58m2（初选值）。

采用FLAC3D建立模型进行模拟，结果如下：

当工作面宽度为195m时，液压支架最大工作阻力为11760kN。

综上所述，该面选用ZZ13000/24/50型液压支架。

3 支架适应性分析

3.1 观测方案设计

工作面采用KJ216/KJ653型煤矿液压支架监测监控系统测定液压支架工作阻力。在整个工作面布置13条测线，共装26个压力分机，依次分别为1#、3#、5#、10#、15#、20#、25#、30#、35#、40#、45#、50#、55#、60#、65#、70#、75#、80#、85#、90#、95#、100#、105#、110#、111#、113#支 架。 工作面推进过程中支架工作阻力值连续自动记录在监控主机中，其中前后柱压力每五分钟记录一次数据。

3.2 观测数据分析

（1）来压时工作面液压支架平均工作阻力

根据监测的工作面矿山压力显现特征，将统计数据生成如下表1所示。

表1 顶板来压时工作面各部位液压支架平均工作阻力变化(kN)

老顶初次来压：

① 就老顶初次来压前后支架的工作阻力而言，来压前液压支架的平均工作阻力为7150.7kN，来压时工作阻力为10478.6kN，平均动载系数为1.38，因此，1512(3)工作面属初次来压较为明显的综采工作面。

② 初次来压时，液压支架工作阻力9206～13016.3kN；55#支架的工作阻力最大，达到13016.3kN。

老顶周期来压：

① 就老顶周期来压前后液压支架的工作末阻力增加而言，来压时工作阻力为10478.6kN。

② 来压前，各部位的静荷载6565.3～7420.3kN；来压时液压支架动荷载9111.3～13016.3kN，来压前后液压支架工作阻力分布表现为中间大两端小。

（2）末阻力

按照作业规程规定，液压支架安全阀开启值前柱为42MPa，后柱为38MPa。前柱缸径320mm，后柱缸径230mm。1512(3)工作面末阻力统计结果见表2，液压支架循环末阻力分布频率选第45#支架进行分析，如图3所示。

表2 液压支架循环末工作阻力及利用率

图3 45#支架循环末阻力统计直方图

由图3可知：45#液压支架的循环末阻力在区间8000～12000kN的比例为67.67%，说明末阻力大部分分布在额定值的附近区间里，说明液压支架选取较为合适。另外，循环末阻力小于8000kN的比例为27.04%。总的来说45#液压支架能够满足初次来压和周期来压的正常开采时期采场的顶板控制要求，45#液压支架循环末阻力发挥程度较好。

（3）适应性分析

1512（3）工作面选用的液压支架型号为郑州煤矿机械集团股份有限公司生产的ZZ130000/24/50型四柱支撑掩护式液压支架。由采场矿压观测可知：

① 针对薄基岩工作面顶板破碎特性，四柱式液压支架能够有效支护顶板、保护煤壁，可以防止破碎顶板漏矸、煤壁片帮；回采期间液压支架后柱平均工作阻力均大于前柱的平均工作阻力，减小了由顶板下沉而产生的作用在煤壁上的压力，抑制了煤壁发生片帮的几率。

② 液压支架工作阻力13000kN，能够抵抗工作面初次来压及周期来压时顶板对支架的作用力。由监测数据可知，初次来压时，支架工作阻力为9206～13016.3kN；周期来压期间：来压前支架的平均工作阻力为7150.7kN，来压时工作阻力为10478.6kN，可见ZZ130000/24/50型四柱支撑掩护式液压支架能够适应1512（3）工作面安全开采需求。

4 结论

（1）通过数值计算及岩重法综合确定1512(3)液压支架工作阻力为13000kN；

（2）来压时末阻力平均值为10478.6kN，达到额定工作阻力的80.6%；

（3）四柱式液压支架能够有效控制顶板，回采时未发生漏顶现象，因此综合得知ZZ130000/24/50型四柱支撑掩护式液压支架能够适应1512(3)工作面安全开采需求。