8602 综采工作面液压支架选型与应用效果分析

刘 飞 梁继强

（大同市青磁窑煤矿，山西 大同 037007）

1 概况

8602 综采工作面长度为240 m，基本顶为Ⅱ级细砂岩，厚度为3.54～12.5 m，直接顶为Ⅱ级粉砂岩，厚度为0～3 m；底板岩石类别为Ⅲ级粉砂岩和中砂岩，厚度为8.1～11.9 m。该工作面煤层结构简单，不含夹矸，结构较稳定。煤层厚度为1.25～2.41 m，平均厚度为1.84 m。工作面平均埋深为500 m。

2 液压支架选型

2.1 支护高度

液压支架高度应根据工作面的采高确定，还应该将顶板冒落高度计算在内。结合综采工作面最大采高Mmax和最小采高Mmin确定支架最大高度Hmax和最小高度Hmin，得出支架高度计算关系式如下：

2 号煤层综采工作面最大采高Mmax=2.41 m，考虑到顶板为泥岩，容易产生冒落，造成支架接顶不严，综合考虑确定支架最大高度Hmax=2.71 m。选用双伸缩立柱液压支架，结合综采工作面实际确定支架最小支护高度Hmin=1.8 m。

2.2 支护强度

支护强度直接影响放顶煤安全开采，支护强度不足，会造成顶板下沉增加，甚至发生安全事故；支架支护强度过高，虽然能够有效控制顶板下沉量，但会造成资源浪费。顶板液压支架支护强度主要与煤层最大高度Mmax、顶板岩石容重γ、岩层碎胀系数k 等参数有关。结合8602 综采工作面实际情况，确定煤层最大高度Mmax=2.71 m，顶板岩石容重γ=24 kN/m3，岩层碎胀系数k 取1.2。分析得出支架支护强度计算式如下：

式中：K 为备用系数，取值为2。代入各参数，计算得出支架支护强度q=0.65 MPa。

2.3 工作阻力

采用以下两种方法，并取最大值作为液压支架额定工作阻力的最小值。

（1）回归公式法对现场实测数据进行回归分析，总结得出回归公式：

式中：Mc为液压支架上方的顶煤厚度，取1.8 m；H 为煤层埋深，取368 m；f 为煤的硬度系数，取1.53。

P1=1971+2.5H+459f+148/MC=3675 kN

（2）根据液压支架结构确定，计算公式如下：

式中：q 为支架强度，取0.65 MPa；Bc为控顶距，是顶梁长度和梁端距之和，取4.26 m；L 为液压支架中心距，取1.5 m；Kc为液压支架支撑效率，取0.95，计算得出P2=4372 kN。

最终确定液压支架工作阻力为P=4400 kN。

2.4 液压支架初撑力计算

采用下列公式计算液压支架初撑力：

式中：Kd为基本顶失稳系数，取1.1；h 为直接顶垮落充填高度，取14.9 m；γd直接定岩层容重，取35.2 kN/m3；θ 为顶板岩石的破断角，取69°；BC取值同前。代入数据求得P初=4107 kN。

根据设计要求，液压支架初撑力最小值应超过工作阻力的80%，P初min=0.8×4400 kN=3520 kN。P初＞P初min，说明液压支架初撑力满足设计要求。

2.5 支架布置架数

根据8602 综采工作面地质条件，综合分析确定液压支架中心距为L=1.4 m。支架布置架数计算方法是工作面长度L工与液压支架中心距L 的比值：

8602 综采工作面长度L工为240 m，液压之间中心距L 取1.5 m，计算得出，支架布置架数为160。另外，为了保证工作面上下顺槽槽头在开采过程中的安全，保证设备机头机尾的安全和维护，需要对工作面与顺槽连接的端头加强支护，每端3架，共6 架。结合上述分析结果，综采工作面选择ZY3500/7/16.5D 型双伸缩立柱液压支架，可满足该工作面煤炭安全开采的要求。

3 液压支架应用效果分析

3.1 支架阻力监测

为了确定ZY3500/7/16.5D 型双伸缩立柱液压支架的应用效果，分别在工作面上部、中部和下部布置两个测点对支架阻力进行监测，测点布置如图1。

图1 综采工作面支架阻力监测测点布置图

在工作面回采过程中进行了支架阻力监测，记录数据分析随工作面回采支架末阻力的变化规律，绘制上部、中部和下部测点支架支护阻力的变化规律。结合监测结果，对每个支架测线上的支护阻力、来压步距和动载系数进行分析，统计工作面来压变化规律。

3.2 监测结果分析

监测结果表明，上部、中部和下部支架支护阻力的变化情况相差不大，来压步距接近，周期来压次数相同，动载系数均处于1.0～1.2 之间，文章只取中部测点的监测结果作为研究对象，分析液压支架的应用效果。文章取上部15#测点、中部10#测点和下部12#测点为研究对象，绘制支架支护阻力的变化规律如图2～图4，统计监测结果分析基本顶来压规律见表1～表3。

图2 15#测点支架阻力变化规律

分析表1 数据和图2 曲线变化情况，可得出在综采工作面施工过程中一共发生了5 次周期来压，来压步距平均值为18.1 m。来压期间支架阻力监测最大值为2 653.0 kN，平均值为2 583.0 kN；非来压期间支架阻力监测最大值为2 396.9 kN，平均值为2 363.8 kN。动载系数最大值为1.11，平均值为1.09。

表1 综采工作面上部基本顶来压规律统计

分析图3 和表2 数据分析可知，在监测期间支架阻力发生了5 次较大的变化，分别对应5 次周期来压。其中前两次周期来压步距较大，后两次较小，来压步距间距为18.1 m。来压期间支架阻力监测最大值为2 738.3 kN，平均值为2 642.1 kN；非来压期间支架阻力监测最大值为2 439.5 kN，平均值为2 379.5 kN。动载系数最小值为1.05，最大值为1.17，平均值为1.11。

图3 10#测点支架阻力变化规律

表2 综采工作面中部基本顶来压规律统计

分析图4 和表3 数据分析可知，在监测期间发生了5 次周期来压，来压步距间距为18.7 m。来压期间支架阻力监测最大值为2 849.3 kN，平均值为2 742.7 kN；非来压期间支架阻力监测最大值为2 432.5 kN，平均值为2 375.8 kN。动载系数最小值为1.07，最大值为1.20，平均值为1.16。

图4 12#测点支架阻力变化规律

表3 综采工作面下部基本顶来压规律统计

综上所述，结合综采工作面上部和下部支架阻力监测数据，来压步距接近，动荷载系数相差较小，其中上部测点支架阻力相对较小，下部支架阻力与中部相近。在来压期间液压支架状态良好，没有出现压架事故，工作面顶板也没有出现大面积片帮，仅在第二次来压期间出现了局部小面积片帮，绝大多数面积区域顶板稳定性良好。

4 结语

（1）通过计算确定液压支架高度、中心距、支护强度和支架架数，合理选择液压支架型号。

（2）根据液压支架阻力监测结果，分析支架阻力变化规律和综采工作面基本顶来压规律统计结果，得出综采工作面开采过程中虽然出现了5 次周期来压，但未出现压架事故，只有局部顶板出现了片帮现象，顶板整体稳定性良好，说明液压支架达到了预期的支护效果。