天合煤矿11201综采工作面支架工作阻力计算探析

姬鹏锦， 王海浪， 陈国栋

(贵州诚搏煤业有限公司天合煤矿，贵州 习水 564600)

根据支架和围岩力的相互作用，可将液压支架分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三种类型。不同类型的支架有不同的特点，适用情况也有所不同，如支撑式支架的顶梁较长，有良好的切顶性能，且结构简单，在中等稳定以上情况适用；掩护式支架的顶梁相对较短，但掩护梁长，有良好的防矸性，在顶板破碎及中等稳定以下情况适用；支撑掩护式支架顶梁长、掩护梁短，主要起支撑作用，还有一定掩护性能，在顶板破碎及大顶压情况下均可使用。支架选型除了要根据顶板实际情况进行，还要通过计算确定工作阻力，以保证选型的正确性、可行性。

1 天合煤矿11201综采工作面概况

天合煤矿主要可采煤层为C5、C8、C12煤层，11201综采工作面为C12层，为含煤地层龙潭组P3l下部。根据天合煤矿安全专篇描述C12煤层：煤层厚1.80～2.00 m，平均厚1.90 m，煤层平均倾角约14°，煤层结构较复杂，顶板为粉砂岩、细砂岩，较坚硬完整，稳定性好，在煤层与围岩之间有一层伪顶，底板为黏土岩，上距C8煤层23 m，属较稳定的可采煤层。根据地质资料可知，C12煤层在矿区内呈层状产出，煤层厚度稳定，煤层结构及顶、底板岩性变化不大，全区可采。

2 支架选型

根据地质资料，C12煤层直接顶以粉砂岩为主，平均厚度3 m；粉砂质泥岩和细砂岩质地坚硬且比较完整，有良好的稳定性。老顶以泥质粉砂岩与细砂岩为主，平均厚度21 m，质地坚硬，连续且完整，以层状产出，层厚变化小。据此可判断直接顶与老顶均属于III稳定顶板。

直接底以铝土质泥岩为主，层厚5～7 m，呈浅灰色的黏土岩，在遇水后会产生底鼓。通过揭露，直接底为灰岩铝土质泥岩含团块黄铁矿，质地坚硬；老底的厚度超过100 m，以层状产出，连续且完整，质地坚硬。据此可判断直接底与老底均属II松软类型。

现阶段工作面所用支架为掩护式支架，采用这一支架可以抵御采空区顶板发生垮落后由大块矸石对其尾梁造成的冲击，从而有效控制顶板，提供充足大切顶力，避免仰俯角与歪斜度增大。初次来压与周期来压支架都没有发生倾倒，为保证支架适用性及维护便利性，将掩护式支架(图1)作为首选类型。

图1 掩护式支架

1—掩护梁；2—顶梁；3—立柱；4—侧护板；5—连杆；6—推移千斤顶；7—底座

3 支架工作阻力计算

3.1 利用采高容重法计算支架工作阻力

采高容重法根据周期来压过程中上部岩层发生移动后影响的范围对工作阻力进行确定，目前国内主要采用采高倍数与岩石容重乘积确定不同条件下支架需要达到的工作阻力。利用该方法的经验公式进行计算，支架应能支持采高岩石质量的4～8倍，工作阻力计算公式为：

F=8MRgBLKcosα(1)

式(1)中，M为采高，取2 m；R为岩石容重，取2.5×103kg/m3；g为重力加速度，取9.8 m/s2；B为支架的中心距，取1.5 m；LK为支架可以达到的最大控顶距，取4.5 m；α为煤层的倾角，取14°。

将以上数值代入到式(1)，可得工作阻力为2 567.4 kN。

实际生产中，支架支撑效率不可能为100%，所以理论计算确定的工作阻力往往比实际需要的阻力大，可表示为：

F理=F/KS(2)

式(2)中，KS表示支撑效率，由于目前以支撑掩护式支架最为常用，结合该煤矿实际情况，当采用掩护式支架时，其支撑效率取0.7(当为掩护式支架时，支撑效率为0.65～0.75；当为支撑掩护式支架时，支撑效率为0.80～0.95；当为支撑式支架(图2)时，支撑效率为0.90～0.96)。

图2 支撑式支架

将以上数值代入到式(2)，可得理论工作阻力为3 667.7 kN。

3.2 利用顶板结构法计算支架工作阻力

利用这一方法计算支架工作阻力，在初次来压时可采用下列公式计算：

F=BLKMZgLKRZ(3)

式(3)中，B为支架中心距，取1.5 m；LK为支架可以达到的最大控顶距，取4.5 m；MZ为从直接顶上垮落的岩石总厚度，m；g为重力加速度，取9.8 m/s2；RZ为从直接顶上垮落的岩石容重，kg/m3。由于煤层回采时易产生垮塌，所以MZ取3 m，RZ取2.5×103kg/m3。

将以上数值代入到式(3)，可得初次垮落条件下支架工作阻力为2 232.56 kN。

采用上述方法确定理论工作阻力为3 189.37 kN。

3.3 根据行业标准确定支架工作阻力

根据行业标准确定支架工作阻力的计算公式为：

P=72.3M+4.5C1+78.9LK-10.24N-62.1(4)

式(4)中，P为直接顶的额定支护强度，kN/m2；M为采高，取2 m；C1为直接顶在初次垮落时对应的步距，取22.5 m；LK为支架可以达到的最大控顶距，取4.5 m；N为直接充填系数，根据经验取采高高度2 m。

将以上数值代入到式(4)，可得 值为518.32 kN/m2，即支护强度不能低于518.32 kN/m2。对于液压支架，其工作阻力可采用以下公式进行计算：

F=P(BLK/KS)(5)

式(5)中，P为直接顶的额定支护强度，取518.32 kN/m2；B为支架中心距，取1.5 m；LK为支架可以达到的最大控顶距，取4.5 m；KS为支撑效率，取0.7。

将以上数值代入到式(5)，可得工作阻力为4 998.1 kN。

3.4 利用老顶结构法计算支架工作阻力

因贵州一般无冲击地压，所以该方法很少使用。在老顶初次来压情况中，可采用以下公式确定支架工作阻力：

(6)

式(6)中，B为支架中心距，取1.5 m；LK为支架可以达到的最大控顶距，取4.5 m；MZ为从直接顶上垮落的岩石总厚度，m；g为重力加速度，取9.8 m/s2；ME为从直接顶上垮落的岩石容重，kg/m3； 为老顶岩石厚度，m；RE为老顶岩石容重，kg/m3；C1为老顶在初次垮落时对应的步距，m。

由于煤层回采时易产生垮塌，所以 取3 m；老顶岩石以泥质粉砂岩与细砂岩为主，质地坚硬，连续且完整，以层状产出，层厚变化小，层厚21 m，故其ME取21 m；RZ与RE的值取2.5×103kg/m3；C1取经验值，为22.5 m。

将以上数值代入到式(6)，可得工作阻力为10 914.75 kN。采用式(2)计算理论工作阻力为12 840.88 kN(支撑效率取0.85)。

4 结论与建议

根据本次选型计算可得：(1)可采用采高容重法、直接顶结构法、老顶结构法和行业标准计算支架工作阻力；(2)支架选型宜以掩护式支架为主；(3)根据以上计算结果，支架工作阻力应达到5 000 kN以上。