冲击倾向性工作面液压支架选型研究

申玉明，武晋飞，杨皓博，李 凡

（陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 咸阳 713500）

引言

在工作面回采中，液压支架控制工作面顶板下沉，保证工作面安全回采[1]。为提高经济效益，维护作业空间与环境，防止工作面出现压架等不良现象[2]，需结合工作面煤层条件选择经济高效的合适的液压支架，保证工作面安全开采。本文以小庄煤矿40309工作面为工程背景，理论计算校核选择合理的液压支架。

1 工程背景

1.1 工程概况

40309工作面位于三盘区，埋深范围531~731 m，设计开采4号煤层，煤层均厚23.5 m，煤层倾角0°~5°；工作面宽度195 m，长度2 980 m。工作面冲击危险综合指数为0.571，判定40309工作面冲击危险等级为中等，回采期间具有冲击矿压危险。40309工作面巷道顶底板物理力学参数见表1。

表1 巷道顶底板物理力学参数

1.2 工程问题

由工程概况可知，40309工作面直接顶与底板岩层稳定性较差，且顶板厚度变化不均，工作面稳定性大大降低[3]。因此，结合工作面煤层赋存条件、开采方式并通过理论计算确定适应于冲击倾向性工作面的液压支架来保证工作面安全回采。

2 液压支架选型

2.1 选取支架类型

40309综放工作面采用后退式走向长壁综合机械化放顶煤开采，全部垮落法管理顶板。煤层开采平均厚度15.2 m，其中割煤高度3.8 m，放煤厚度平均11.4 m，采放比为1∶3。因此，40309综采工作面采用支撑掩护式放顶煤液压支架支护工作面顶板。

2.2 计算支架高度

液压支架的高度范围由式（1）（2）计算。

式中：Mmax为煤层最大采高，3.8 m；Mmin为煤层最小采高，2.5 m；a为伪顶冒落后支架所需的支撑高度补偿量，0.2 m；s为顶板最大下沉量，0.1 m；b为支架卸载前移时立柱伸缩余量，0.1 m；c为支架顶梁上存留的浮煤和碎矸石厚煤，0.1 m。代入数据，计算得液压支架高度在2.2~4.0 m，

2.3 确定液压支架型号与技术参数

综合考虑工作面选取ZF14000/21/40D型放顶煤液压支架。ZF14000/21/40D型放顶煤液压支架结构图如图1。

图1 ZF14000/21/40D型放顶煤液压支架结构图

如图1所示，ZF14000/21/40D型放顶煤液压支架的金属部件有前梁、护帮板、伸缩梁、顶梁、顶梁侧护板、掩护梁侧护板、前后连杆、底座、尾梁、插板等[4]。顶梁能有效支撑破碎顶板，侧护装置能有效控制破碎顶板，保障冲击矿压影响下工作面顶板的稳定性[5]。

ZF14000/21/40D型放顶煤液压的主要技术参数如下：工作阻力为14 000 kN；支架高度2.1~4.0 m；支护强度为1.59~1.61 MPa；支架宽度1.43~1.6 m；底座前端对底板比压2.2~3.0 MPa；支架中心距1.5 m；移架步距0.8 m；支架初撑力12 040 kN；采用电液控制。ZF14000/21/40D型放顶煤液压支架工作阻力大，能够有效地控制顶板下沉，其较强的稳定性和抗扭性能，可以有效防治冲击矿压对工作面的影响。

3 液压支架强度校核

3.1 强度校核

支架支护强度可根据需要支护的顶板载荷验算，经验公式校核如式（3）：

式中：P为顶板载荷（综采工作面额定支护强度），MPa；h为最大采高，3.8 m；γ为顶板岩石容重，2.5 kN/m3。代入数据，计算得支架支护强度为0.746 MPa。ZF14000/21/40D型放顶煤液压支护强度为1.59~1.61 MPa，满足支护强度要求。

3.2 工作阻力校核

支架工作阻力可由式（4）：

式中：P为综采工作面额定支护强度，0.746 MPa；L为支架中心距，1.5 m；Lk为梁端距，0.4 m；Ld为顶梁长度，四柱式取5.0 m。代入计算得支架工作阻力应大于6 042.6 kN，ZF14000/21/40D型放顶煤液压支架工作阻力14 000 kN远大于理论计算所要求的6 042.6 kN。

3.3 初撑力校核

初撑力强度一般为工作阻力的70%~80%[5]，从安全角度考虑，40309冲击倾向性工作面支架的初撑力应大于工作阻力的85%，ZF14000/21/40D型液压支架初撑力（12 040 kN）满足初撑力要求。

3.4 底板比压校核

支架对底板的最大比压是衡量支架稳定性的重要参数，支架对底板的最大比压qm校核公式如式（6）：

式中：q为实测底板的最小抗压强度，13.2 MPa；K1为底板载荷集中系数，取3；K2为洒水影响系数，取1.4；qm为支架对底板的最大比压，MPa。代入计算得支架对底板的最大比压应小于3.14 MPa，ZF14000/21/40D型放顶煤液压支架最大比压3.0 MPa，满足支架对底板的最大比压要求。

通过校核可知，ZF14000/21/40D型中部液压支架满足40309工作面回采时的强度、工作阻力等要求，可保证工作面安全回采。

4 液压支架应用

4.1 工作面液压支架支护方案

40309冲击倾向性工作面布置123架中心距为1.5m的ZF14000/21/40D型支架，机头安设4架中心距为1.5 m的ZFG14000/24/40D过渡液压支架，机尾安设4架中心距为1.5 m的ZFG14000/24/40D过渡液压支架，端头安设2架ZFT32000/21/42液压支架。

4.2 液压支架工作阻力监测

为观测液压支架在40309工作面的应用效果，对中部45号液压支架所受载荷进行监测，得到中部45号液压支架载荷监测图（图2）；每间隔15个支架对支架的所受的工作阻力进行监测，取各周期来压期间支架最大支护阻力值得到40309工作面支架支护阻力表，见表2。

图2 45号液压支架载荷监测图

表2 40309工作面支架支护阻力表

由图2可知，来压期间45号液压支架最大载荷在26~30 MPa之间，液压支架最大工作阻力均小于额定工作阻力的75%；保证工作面安全回采。

40309工作面初次来压步距为33 m，工作面支架最大工作阻力为9 831 kN，为支架额定工作阻力14 000 kN的70.2%。由表2可知，40309工作面五次周期来压步距均在23.2~25.6 m范围内。其中，第四次周期来压步距与支架工作阻力最大，步距为25.6 m，支架工作阻力为9 760 kN。周期来压期间最大工作阻力为支架额定工作阻力14 000 kN的69.7%。

5 结论

1）基于矿压理论计算选取的ZF14000/21/40D型液压支架可有效防治工作面冲击矿压。

2）通过经验公式的校核可知设计的液压支架支护方案满足工作面安全回采要求。

3）40309工作面支架的最大工作阻力在额定工作阻力的75%以内，保障工作面安全回采。