煤矿综放工作面液压支架选型技术的研究

师玉刚

（霍州煤电集团安监局五人小组，山西 霍州 031400）

1 工作面概况

某矿综放工作面属于该矿五采区第二个工作面，位于+750 水平五采区三条上山左翼，北部为五采区边界，南部为五采区三条上山，东部为实体煤，西部为正在回采的5-501 工作面。设计走向长度1 617 m，倾斜长度193 m，煤层厚度6.1 m。

5 号煤层赋存于石炭二叠系山西组，煤层节理发育，黑色，玻璃光泽，成分以亮煤为主，暗煤次之，含镜煤条带，为简单结构煤层，半亮煤，煤层中部有一层夹矸，夹矸为炭质泥岩，煤层厚度变化不大，属较稳定煤层，夹矸总厚度约为0.8 m，由于泥岩普氏硬度f 为1.41～3.31，对回采影响不大。

2 液压支架的选型设计

2.1 架型确定

1）液压支架的架型选择要求：支护强度及工作阻力与工作面地质条件相适应；主体结构与煤层赋存条件相适应；支护断面与通风要求相适应；结构尺寸与运输条件相适应。目前用于单一煤层开采的液压支架主要有四柱支撑掩护式和两柱掩护式两种形式。

2）架型的选择主要考虑四个因素：煤层厚度变化、支架搬家运输、支护性能及其影响、支架操作及其控制。

最终，该工作面选用四柱支撑掩护式。

2.2 支架支撑高度的确定

支架的最大和最小结构高度必须适应煤层采高变化所要求的最大和最小支撑高度。支架的最大和最小支撑高度，应根据煤层厚度的变化合理选择，支架高度可由公式（1）、公式（2）计算：

式中：Hmax为支架最大结构高度，m；Hmin为支架最小结构高度，m；Mmax为煤层最大采高，取3 m；Mmin为煤层最小采高，取2.8 m；a 为考虑伪顶冒落后，支架仍有可靠初撑力所需要的支撑高度的补偿量，取0.3 m；s 为顶板最大下沉量，取0.1 m；b 为支架卸载前移时，立柱伸缩余量，取0.2 m；c 为支架顶梁上存留的浮煤和碎矸厚度，取0.1 m。

代入数值计算得Hmax≥3.3 m，Hmin≤2.4 m。

根据生产实际经验，为防止伪顶冒落而引起支架顶空现象和一些难于预见的因素，最大结构高度Hmax要在计算的基础上，再考虑增加0.1～0.4 m的富裕量。确定支架的最低高度时还应考虑到井下的允许运输高度。

经过经验公式计算可知，支架的最小支撑高度为2.4 m，最大支撑高度为3.3 m。

2.3 支架支护强度（工作阻力）的确定

从理论上分析，合理的支护强度应正好与顶板压力相平衡，支护强度的大小应取决于工作面采场矿压的大小。但由于目前对采场矿压的大小还不能进行准确的定量计算，目前主要以经验法或实测数据来确定支架的支护强度（工作阻力）。

2.3.1 采用经验公式计算支架的支护强度

式中：q 为支护强度，MPa；K 为作用于支架上的顶板岩石系数，取8；H 为采高，3 m；γ 为顶板岩石密度，取2.5×103kg/m3；g 为重力系数，取9.8 N/kg。将数值代入公式计算得q=0.605 4 MPa。

2.3.2 按支架承受载荷计算支架的工作阻力

式中：Q 为支架工作阻力，kN；N 为采高倍数，取8；H为工作面平均采高，取3 m；F 为支架支护面积，取11.42 m2；Z 为煤层顶板岩石容重，取2.5 t/m2；1.05为考虑的富裕系数。将数值代入公式计算得Q=7 050.70 kN。

2.3.3 按最大采高计算支架的工作阻力

式中：P 为承受压力，kN；M 为工作面最大采高，取3 m。将数值代入公式计算得P=588 kN。

2.3.4 支架控顶面积公式

式中：S 为支架控顶面积，m2；L1为支架最大控顶距（顶梁长度+端面距+截深），取6.525 m；L0为支架宽度，取1.75 m。将数值代入公式计算得S=11.42 m2。

2.3.5 支架工作阻力公式

式中：Q'为要求的支架工作阻力，kN。将数值代入公式计算得Q'=6 715 kN。经计算可知，支架立柱工作阻力Q'为6 715 kN。

2.3.6 按照Ⅰ～Ⅲ级老顶的工作阻力下限计算

2.3.6.1 液压支架支护强度下限公式。

式中：Ps为额定支护强度下限，kN/m2；Hm为工作面煤层采高，取3 m；L 为老顶周期来压步距，取8 m；Bc为支架控顶距（顶梁长度+端面距），取5.725 m；N'为充填系数，取2.5。将数值代入公式计算得Ps=617 kN/m2。

2.3.6.2 液压支架工作阻力下限公式

式中：Fs为支架工作阻力下限，kN/架；Sc为支架中心距，取1.75 m；Ks为液压支架支护效率，取0.95。将数值代入公式计算得Fs=5 872 kN。

通过计算方式可知，取最大值得出工作阻力为6 715 kN。

2.4 支架型号的确定

根据本工作面顶底板岩性、煤厚、矿压、通风断面等因素，确定本工作面选用ZF12000/22/35型放顶煤液压支架，支架特征见表1。

由表1 可知，ZF12000/22/35型放顶煤液压支架支护强度为1.14 MPa，能够满足工作面支架支护强度0.6276 MPa；ZF12000/22/35型放顶煤液压支架支撑高度为2 200～3 500 mm，能够满足支架的最小支撑高度为2.6 m，最大支撑高度为3.5 m；故确定本工作面选用ZF12000/22/35型放顶煤液压支架。

表1 液压支架技术特征表

2.5 最大、最小控顶距

1）最大控顶距H大的计算

式中：H大为工作面最大控顶距，mm；L'1为支架前顶梁长度，5 325 mm；L' 为支架端面距，400 mm；L2为循环进度，800 mm。将数值代入公式计算得H大=6 525 mm。

2）最小控顶距H小的计算：

通过计算确定工作面最大控顶距为6 525 mm，最小控顶距为5 725 m。

3 液压支架性能验算

3.1 底板比压

合理地选择支架底座对底板的最大比压（支架技术特征表中可查），是支架选型中一个很重要的指标，特别对于底板松软的工作面更为重要，必要时应进行测定和计算。计算公式如下：

式中：q'为支架底座的最小抗压入强度，取3.7；K1为底板载荷集中系数，取1；K2为洒水影响系数一般为0.8～1.2，取0.8；qm为支架对底板的最大比压，可由支架特征表查得，取3.3。代入数值计算得3.7＞2.64，能够满足要求。

3.2 顶板覆盖率

支架顶梁对支护面积的覆盖率为：

式中：δ 为覆盖率；B 为顶梁宽度，取1.75 m；K1为支架间距，取0.1 m；L顶为顶梁长度，取5.325 m；C 为端面距，取0.4 m；K1为有侧护板的支架取0.1 m。将数值代入公式计算得δ=87.8%。δ 覆盖率应符合顶板性质的要求，一般不稳定顶板不小于87%～95%；中等稳定顶板不小于75%～86%；稳定顶板不小于60%～70%。根据公式计算可知，覆盖率为87.8%，属于中等稳定顶板，满足现场实际情况。

4 液压支架性能校核

4.1 按承压校核

式中：Pc为额定支护强度下限，kN/m2；Lp为老顶初次来压步距，取30 m。将数值代入公式得Pc=739 kN/m2≈0.739 MPa。

综上所述，支架额定支护强度为0.739 MPa，小于支架支护强度下限1.14 MPa，因此所选用ZF12000/22/35型放顶煤液压支架满足支护要求。

4.2 按支撑高度与煤层厚度变化情况校核

所选用支架最大支撑高度为3.5 m，最小支撑高度为2.2 m，煤层平均厚度为3 m，故所选用支架符合煤层变化的需要。

5 结语

现此综放工作面正在回采，根据目前的推进情况，ZF12000/22/35型放顶煤液压支架支护强度完全能满足需要，希望本文阐述的液压支架选型设计能够为煤矿的安全生产提供参考。