杭来湾煤矿超大采高液压支架选型

张 军

(陕西有色榆林煤业有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

杭来湾井田位于陕西榆神矿区一期规划区的西南部，井田长12 km，宽7.7 km，面积约92 km2。主采煤层为3号煤，位于延安组第3段顶部，煤层厚度6.34～8.14 m，平均7.46 m，局部含1～2层0.05～0.46 m泥岩、碳质泥岩夹矸，埋深240 m左右。煤层层位稳定，结构简单，厚度变化小。无瓦斯，矿井涌水量较大。

1 采煤工艺的选择

杭来湾煤矿302盘区平均煤厚达到7.46 m，目前针对7 m以上厚煤层的采煤工艺有分层开采、一次采全高以及放顶煤3种。分层开采设备投资少但巷道掘进量大且回采率低，一次采全高回采率高、增产潜力大但设备投资大，放顶煤煤层适应性好但原煤含矸率高且瓦斯积聚风险高等。针对3种采煤工艺的特点，利用加权评分评比法，确定适合302盘区的采煤工艺，见表1。

表1 302盘区采煤工艺加权评分统计Table 1 Weighted scoring statistics of coal mining technology in panel 302

综上，通过对3种采煤工艺多指标对比评价，302盘区适宜采用一次采全高采煤工艺。

2 支架关键参数论证2.1 支架高度

液压支架的高度应与工作面煤层的总体厚度变化相适应，保证回采率的同时应考虑到技术可靠性及投资经济性。

支架高度可以用以下公式计算

Hmax=Mmax+S1

(1)

Hmin≤Mmin-S2-a-b

(2)

式中，Hmax为支架的最大高度，m；Mmax为煤层的最大可采厚度，m；S1为最大采高时支架高度的富余量，一般取0.1～0.3 m；Hmin为支架的最小高度，m；Mmin为煤层的最小可采厚度，m；S2为最小采高时顶板可能的下沉量，一般取0.3～0.5 m；a为支架移架所需最小降架量，取0.1 m；b为浮煤厚度，取0.1 m。

若不留顶、底煤开采，则煤层最大可采厚度Mmax可取8.1 m，最小可采厚度Mmin可取6.3 m。将各参数代入式(1)(2)，计算得到支架高度范围为Hmax=8.4 m，Hmin≤5.6 m。

若留顶、底煤开采，其中顶煤预留大约0.2～0.5 m，底煤约0.1～0.3 m，煤层最大可采厚度Mmax可取7.3 m，最小可采厚度Mmin可取5.5 m。将各参数代入式(1)(2)，计算得到支架高度范围为计算得到支架高度范围为Hmax=7.5 m，Hmin≤4.8 m。

根据地质勘查资料及实测可知，302盘区3号煤层直接顶底板分布泥岩强度较底，且工作面涌水量较大，回采过程中易发生支架钻底或局部冒顶。为保证工作面回采安全高效，需留设顶、底煤。

综合考虑工作面回采率、作业安全性、推进高效性、设备可靠性以及系统稳定性等因素，最终确定支架高度范围需满足Hmax=7.5 m，Hmin≤4.8 m。

2.2 支架中心距

目前超大采高液压支架中心距规格有1.75 m、2.05 m、2.4 m。1.75 m的宽度相对7 m以上的超大采高支架来说，横向失稳角小，稳定性较差[1]。2.4 m中心距支架稳定性最好，但目前支架运输配套不成熟，不适应现有矿井运输安装。2.05 m中心距支架在稳定性和运输安装等方面平衡性最好，故支架中心距确定为2.05 m。

2.3 架型选择

目前使用比较广泛的支架架型主要有两柱掩护式液压支架和四柱支撑掩护式液压支架2种，这2种架型各有特点。两柱掩护式支架结构简单、重量轻、造价便宜、整体受力平衡、电液控自动化容易实现，而四柱支撑掩护式支架顶梁受力状态好、切顶性好、支架稳定性较高、有较大的工作空间[2-3]。

针对2种支架的特点，利用加权评分评比法确定适合本矿实际情况的架型。见表2。

表2 302盘区液压支架架型加权评分统计Table 2 Weighted scoring statistics of hydraulic support type in panel 302

根据以上评比结果，确定支架架型为两柱掩护式支架。

2.4 支护强度

2.4.1 估算法

由经验公式

P=nhγg×10-6

(3)

式中，P为支护强度，MPa；n为顶板岩石厚度系数，取6～8；h为采高，7.5 m；γ为顶板岩石密度，2 500 kg/m3；g为重力加速度，9.8 m/s2。

将各参数代入式(3)，计算得到支架支护强度为1.1～1.47 MPa。

2.4.2 模型分析法

根据已有研究[4-5]，工作面采高加大后，覆岩垮落带高度随之加大，在普通采高中能形成稳定“砌体梁”结构的关键层(基本顶)，也将进入垮落带而最终以“悬臂梁”结构破断运动的型式存在，而关键层的“砌体梁”铰接结构需在更高的层位才能形成。显然对302盘区来说，采用7.5 m超大采高综采开采工艺，工作面采空区内除直接顶外部分基本顶也将垮落，“砌体梁”结构上移，采场上覆岩层最终形成图1“悬臂梁”加“砌体梁”的结构形态，而垮落高度增加导致工作面回采过程中动压系数高，矿压显现强烈，顶板压力和支架载荷明显增大。

图1 302盘区上覆岩层结构示意Fig.1 Overburden structure of panel 302

根据图1可知，液压支架的支护强度需要平衡3种力。第1种是支架顶梁上方直接顶的岩石自重，第2种直接顶上方已破断形成“悬臂梁”的关键层1以及其上软岩的自重，第3种是维持形成“砌体梁”结构的关键层2平衡的力。

根据以上分析，可建立如图2所示的采场力学模型。

图2 302盘区采场力学模型Fig.2 Mechanical model of mining face in panel 302

直接顶岩石自重载荷

(4)

式中，P0为直接顶载荷，MPa；h1为直接顶厚度，取3.2 m；Lk为控顶距，取6.4 m；α为直接顶破断角，取78°。

关键层1及其上层软岩自重载荷

(5)

式中，P1为关键层1及其上覆软岩载荷，MPa；h2为关键层1及其上覆软岩厚度，据地勘资料平均厚度取14.1 m；L为关键层1破断长度，根据目前301盘区工作面来压周期统计平均17刀，可取14.7 m。

支架维持关键层2“砌体梁结构”平衡所需载荷，可根据文献[6]得

(6)

(7)

式中，P2为支架维持关键层2“砌体梁结构”平衡所需载荷，MPa；Q为关键层1及其上覆软岩载荷，MPa；Lq为关键层2破断长度，同取14.7 m；h3为关键层2及其上覆软岩厚度，据地勘资料平均厚度取15.3 m。

则支架所需支护强度

P=n(P0+P1+P2)

(8)

式中，n为动载系数，根据周边煤矿数据可取1.4[5]。

将式(7)代入式(6)，式(4)(5)(6)代入式(8)得P=1.54 MPa。

综合以上数据，工作面的支护强度不小于1.54 MPa。

2.5 工作阻力

液压支架的工作阻力应和工作支护强度的要求相适应，因此支架的工作阻力为

(9)

式中，η为支撑效率，取0.98；B为支架中心距，取2.05 m。计算可得，F=20 617 kN。

圆整后，支架工作阻力确定为 21 000 kN。

2.6 初撑力

合理的初撑力，可以有效减小顶板下沉量，快速提高支架的工作阻力，减小煤壁受力，控制煤壁变形，减轻煤壁片帮程度和发生量。

根据已有研究成果[7]，超大采高工作面初撑力与额定工作阻力的合理比例系数μ取75%～80%，可保证煤壁承压水平较低，控制塑性变形并减少片帮。初撑力计算公式如下

Fch=μF

(10)

因此，初撑力应满足15 750～16 800 kN。

2.7 护帮板

综采工作面的片帮与端面冒顶往往同时发生，任何一种现象的发生和加剧必将导致另一种情况的发生，由此形成的恶性循环极易造成各种安全事故。对于7.5 m超大采高综采来说，煤壁控制和顶板控制一样重要，所以护帮板的合理选型是超大采高工作面煤壁管理的关键因素。

2.7.1 护帮板的长度

根据“压杆”计算模型的结论：最易发生煤壁片帮的位置为距离底板0.65倍的采高处[8]。距顶板0.35倍采高处，煤壁侧向位移最大，将首先失稳。综合各种工况下护帮板的支护角度及有效防护面积，护帮板高度应为片帮高度的1.5倍。即

Hh=0.35kh

(11)

式中，Hh为支护帮板长度，m；k为护帮板支护系数，取1.5。计算得Hh=3.9 m。

圆整后，护帮板长度取4 m。

2.7.2 护帮力

根据煤壁的“拉裂-滑移”理论[9]，工作面煤壁受到顶板的压力、支架的支撑力、护帮板的支护力、煤体内部的应力综合作用，导致在煤壁距顶0.35倍采高的位置产生拉裂现象，煤体发生破坏[10-13]。是否形成片帮，综合作用力还要满足其他条件，即煤壁发生破坏并不一定导致片帮。

在一定条件下，护帮板对煤壁施加的护帮力能有效抑制煤壁片帮。由此，支架护帮力必须满足以下要求，才能完全承担已破碎煤体的重量以及护帮板自身的重量。即

(12)

式中，Fh为液压支架防止煤壁片帮的护帮力，kN；n为安全系数，取2；θ为煤壁拉裂破断角，取45°；ρ1为煤密度，1 300 kg/m3；ρ2为钢材密度，8 000 kg/m3；D为护帮板平均厚度，取0.2 m。计算得Fh≥332 kN。

圆整后，支架护帮力不小于350 kN。

2.8 液压支架技术参数

根据以上选型结果，确定302盘区超大采高液压支架的主要技术参数见表3。

表3 302盘区液压支架主要技术参数Table 3 Main technical parameters of hydraulic support in panel 302

3 结论

以目前煤炭装备研发以及应用情况，平均可采煤厚在8 m以下的缓倾斜煤层应优先考虑一次采全高的采煤工艺。支架的高度选择应充分考虑矿井实际情况，不能盲目追高，给生产安全带来隐患。支架支护强度应根据地质情况考虑多种核算方式作对比，避免出现选小的失误。采高越大采场片帮也越严重，所以选型时应对工作面煤壁管理做充分考虑，首先，支架工作阻力选大一些有利于减少煤体破坏；其次，护帮板的高度以及护帮力应合理选型，有利于控制煤体滑落。