坚硬顶板综采工作面支架选型及应用分析

张志群 周松江 原学新

（山西煤销集团神农煤业有限公司，山西 高平 048402）

液压支架是工作面的主要支护设备，保证采面作业空间顶板安全。在矿井开采前需结合矿井煤层条件、设计采煤方法等选择合适的液压支架，以实现工作面安全开采[1-2]。本文以神农煤业开采地质条件为基础，对15 号煤层工作面液压支架选型进行了分析，并进行了现场矿压观测。

1 工程概况

神农煤业为山西煤炭运销集团资源整合矿井，批准开采3-15 号煤层，生产能力为0.6Mt/a。其中3 号煤层资源已基本枯竭，只剩井田东北角未采；9 号和14 号煤均为局部可采；15 号煤全区稳定可采。矿井初期开采15 号煤层，矿井设计可采储量16810kt，服务年限20a，工作面采用一次采全高开采。14 号煤层厚0～1.10m，上距K2 石灰岩平均0.51m，下距15 号煤层平均1.03m，煤层平均厚0.81m。15 号煤层厚1.9～5.1m，埋深在50～200m 之间。伪顶为炭质泥岩，厚0.2～0.5m，随采随落；直接顶为砂质泥岩，最大厚度5.13m，抗压强度43.4MPa；老顶为深灰色K2 石灰岩，厚7.51m，抗压强度35.9MPa，单向抗拉强度4.00MPa，岩石坚硬；直接底板为含铝泥岩，抗压强度2.2MPa；再下为铝质泥岩、石灰岩，铝质泥岩抗压强度8.3MPa。

2 液压支架选型

2.1 支架强度确定

采用“传递岩梁”理论建立支架与围岩关系力学模型，对液压支架支护强度进行计算。由于煤层厚度起伏变化，为保证支架支护强度满足实际需要，15 号煤层取最大厚度为5.1m，直接顶厚度为5.13m，基本顶为石灰岩，厚7.51m。

（1）支架对直接顶阻抗计算

支架对直接顶的阻抗计算公式如下：

式中：

Mz-直接顶厚度，取5.13m；

γz-直接顶砂质泥岩容重，取2.7t/m3；

l-支架合力作用点距煤壁的距离，取值3.66m；

Lk-支架控顶距离，为支架顶梁长度和梁端距之和，取4.146m；

Ls-直接顶悬顶距，直接顶为砂质泥岩，层理较发育，属于较易冒落顶板，取1m。

由上式计算可得支架对直接顶的阻抗为0.1209MPa。

（2）支架对基本顶阻抗计算

在给定变形条件下，支架对基本顶的阻抗力计算公式如下：

式中：

ME-岩梁厚度，取最大值9.00m；

CE-周期来压岩梁断裂步距，取25m；

KT-岩梁重量比例系数，取1.8；

ΔhT-要求采场控制的下沉量，给定形条件下ΔhA=ΔhT；ΔhA为采场支架在给定变形条件下的采场顶板下沉量。

采用给定变形进行计算，可将式（2）化简为下式：

由此可计算得到支架对基本顶的阻抗为0.8142MPa。

根据液压支架对直接顶和基本顶的阻抗，按照0.9 的支护效率计算，可得到工作面顶板所需的最小支护强度为1.039MPa。

2.2 支架工作阻力确定

支架的工作阻力计算公式如下：

式中：

P-支架工作阻力，kN；

Lk-梁端距，0.546m；

LD-顶梁长度，3.6m；

B-支架宽度，1.5m。

由支架支护强度为1.039MPa，可计算得到支架工作阻力为6461kN。

2.3 支架工作阻力验算

根据多位学者以及矿井实践经验，从支架承受的顶板载荷与采高近似成直线关系的观点出发，按支架承受的载荷为工作面最大采高的6～8 倍岩重进行估算支架工作阻力[3-4]。根据本矿井地质条件和煤层赋存状况，设计按8 倍的岩重进行估算，顶板岩石容重取2.5t/m3，支护面积取6.75m2，由此计算得到支架工作阻力为7017kN。

2.4 支架高度确定

支架的高度与工作面采高息息相关，在保证工作面最大和最小采高的基础上还应考虑一定的顶板冒落高度。另外，在选择液压支架的最大和最小高度时，尽可能地考虑保持工作面煤层实际开采厚度范围与支架最佳工作高度范围一致。确定支架最小高度还应考虑矿井井下支架运输工具和辅助运输巷道断面的高度。根据15 号煤层厚度和伪顶厚度，可计算得到液压支架的支护高度在1.7～5.3m 之间，支架高度变化范围较大。从矿井地质钻孔分析可知，矿井87.8%的范围内，15 号煤层整体煤层在2.51～4.2m。因此，综合确定，液压支架支护高度在2.31～4.5m，采用四柱式液压支架，中心距为1.5m。

2.5 支架型号确定

根据上述计算可知，工作面液压支架支护强度不小于1.039MPa，工作阻力应不小于7017kN。为充分保证支架使用过程中的安全可靠，需考虑支架支护效率和不确定因素，支架选型时必须保留一定的安全系数，保证支架阻力足够。因此，必须在最小支护强度和工作阻力的基础上有一定的提高，故以此确定工作面支架工作阻力为8000kN。结合15号煤层厚度、采煤方法以及支架高度，综合确定工作面采用ZZ8000/23/47 型四柱支撑掩护式液压支架（支架基本参数见表1）、ZZG8000/23/47型过渡支架、ZCZ11700/24/45 型端头支架和ZTC15600/24/45 型超前液压支架，可满足矿井绝大部分区域15 号煤层开采需要。

表1 支架基本参数

3 矿压观测分析

3.1 初采来压分析

由于15 号煤顶板为K2 石灰岩顶板，其为坚硬厚层顶板，为降低工作面来压强度，15 号煤首采工作面初采期间采用了爆破放顶技术，有效弱化了工作面顶板。首采工作面平均采高为3.9m，工作面回采过后，直接顶能够随着工作面推进顺序垮落。在工作面机头推进26.4m，机尾推进至25.2m 时，工作面支架压力出现增大，并出现局部片帮现象；在工作面推进至28.2m，机尾推进至27.6m 时，支架阻力出现降低，基本顶垮落结束。工作面整个初次来压期间工作面支架压力较为平稳，没有出现骤增和骤降现象。计算分析，工作面初次来压步距为26.6m，支架最大工作阻力为4519kN，最大工作阻力仅为支架额定工作阻力的56.5%。其主要原因在于首采工作面煤层厚度相比理论计算减小了1.2m，且工作面初采期间采取了爆破法处理顶板，有效降低了工作面初采来压步距，来压强度明显降低。

3.2 周期来压分析

对工作面正常回采过程中支架压力进行统计分析可知，工作面周期来压步距在16.7 ～22.8m之间，平均19.6m，工作面支架最大工作阻力为4318kN，平均为4186kN，工作面支架动载系数平均为1.35kN。可见所选支架工作阻力完全能够满足安全生产需要。

3.3 工作面“见方”位置矿山压力特征

在工作面推进长度与工作面倾斜长度接近时，即为工作面“见方”位置。该处工作面支架压力明显增大，矿压显现强烈，支架压力最大值为5689kN，为额定工作阻力的71.1%，且工作面出现明显的片帮现象，最大深度为500mm，垂高达到1200mm。但是工作面支架压力仍然能够满足需要，且有很大的富余量。工作面片帮较大主要原因在于工作面前期矿压显现不强烈，生产科和队组放松了对支架初撑力的管理。

4 结语

液压支架为综采工作面最重要的机电设备，选择合适的液压支架是保证工作面安全高效生产的基础。采用“传递岩梁”理论计算工作面液压支架支护强度，并由此计算支架工作阻力，进行支架支护强度验算。结合矿井煤层赋存情况、开采方法等多种因素，综合确定神农煤业15 号煤层液压支架型号参数。根据现场矿压观测，对工作面初次来压、周期来压和“见方”位置的支架压力进行了分析，液压支架额定工作阻力能够满足安全生产需要。