晋宏煤矿支护设备的选型

郭会敏，赵光明

（山西晋城煤业集团 金 鼎公司，山西 晋城 048006）

1 概述

晋宏煤矿核定年产量90万吨，属低瓦斯矿井，该井田总体为一东北轴向的背斜构造，地层倾角一般为5°～12°，井田内发育9条褶曲，2个陷落柱，未发现断层，井田构造程度属简单类。

9号煤层位于太原组下段顶部，厚度为4.24 m～7.30 m，平均5.14 m。含2层～4层夹矸，结构复杂，层位稳定，厚度变化不大，回采工作面长度为165 m。根据地质报告中的钻孔资料，9号煤层大部分厚度为4.52 m～5.57 m，为厚煤层，9号煤层顶板为K2石灰岩或泥岩，底板为泥岩、砂质泥岩，为赋煤区全区稳定可采煤层。

2 回采工艺对比

结合国内现阶段矿井的生产实践经验，并参考本区成熟的一些采煤工艺，选择的采煤工艺为放顶煤综采一次采全高和大采高一次采全高。

2.1 放顶煤综采一次采全高

参照采矿工程设计手册（2003版）关于放顶煤开采的顶煤冒放性评价方法及步骤，现对9号煤层埋深、煤层厚度与强度、夹矸厚度、强度与层位、煤层裂隙发育程度等诸多地质因素进行分析：

（1）煤层的埋藏深度为100 m～220 m。

（2）全井田煤层平均厚度为5.14 m，根据本区矿井生产实际经验和相关资料，单轴抗压强度＜10 MPa。

（3）夹矸一般为1层～4层，夹矸厚度大于0.2 m，夹矸强度暂取单轴抗压强度10 MPa～20 MPa。

（4）煤层直接顶板为砂质泥岩，属直接顶中等稳定顶板，老顶别级为Ⅱ级。

（5）主要的开采工艺因素是采放比，为1∶1左右。

根据以上主要因素，本矿井9号煤层利用顶煤冒放性评价方法分析冒放性综合指数在0.68，可见本煤层冒放性属一般型。

放顶煤这种采煤方法具有适应性强、掘进率低、材料消耗量少、生产集中、产量大、效率高、成本低等明显优点，因此该采煤方法在我国各种类型的厚及特厚煤层矿井中已得到了普遍的推广应用，取得了明显的经济效益。从资源回收率看，影响放顶煤工作面回收率的因素有：①初采损失；②工作面端头开采损失；③末采损失，工作面距停采线12 m～15 m不放煤的顶煤损失；④支架之间及步距间上部的脊背煤损失。考虑到放顶煤技术的不断完善和提高，设计的工作面采煤机割煤回采率为95%，顶煤回收率为85%，工作面综合回采率为90%。影响采区回采率的因素有采区隔离煤柱损失、区段煤柱及顺槽顶煤损失、无法布置工作面开采的边角煤损失等。根据上述因素及已确定的工作面回采率，对各类煤柱采取有效的回收后，设计采区回采率为75%。

2.2 大采高一次采全高

该方法适用于煤层厚度小于7 m的厚煤层开采，国内多个工作面采高现已达6.0 m以上。例如：神东矿区各矿井，在煤层倾角5°以下、煤硬度f＝1～2、顶板中等稳定、无瓦斯危害、采高5.0 m左右条件下，采用大采高综采设备，采面单产达到800万吨／年。可见，大采高一次采全高的综采工艺可提高工作面的单产，同时也极大地提高了经济效益，并且采煤工艺系统简单，工作人员少。但是，本开采工艺适应地质条件范围较窄，对工作面煤层厚度的稳定性、顶底板稳定性等要求较高。在生产过程中，现场经验表明在煤层倾角小于8°的情况下，煤质硬度适合本工艺方可发挥其最大的优越性，而本煤层大部分倾角为10°左右，在实际生产过程中，可能会遇到倒架、片帮冒顶而带来工作面停产等问题，另外本开采工艺需要支架阻力较高、采高大，总体投资大。大采高工作面资源回收率高于放顶煤工作面，但存在工作面间煤柱留设大、局部采高小于煤层厚度、工作面两端头三角煤过渡段留顶煤等问题，一般采区资源采出率为75%～80%。

3 液压支架选型

开采工艺和设备的选择应考虑工作面的安全可靠性、资源回收率、生产效率、设备的投入、可研制性等多方面因素。该矿核定年产量不大，煤无自燃倾向，采用放顶煤综采一次采全高工艺投入小，能满足安全要求，回采率与大采高接近，由此可见使用该工艺开采9号煤层较为合理。

3.1 估算法确定支架工作阻力

支架支护强度q（k N／m2）的计算公式为：

其中：q冒为冒落带岩层自重，k N／m2；q顶煤为顶煤自重，k N／m2；γ岩为顶板岩石容重，取26.0 k N／m3；γ煤为顶板煤层容重，取14.4 k N／m3；h冒为顶板冒落带高度，取14.72 m；h顶煤为顶板顶煤厚度，取2.54 m；Kd为动载系数，暂取1.6。经计算q＝671 k N／m2。

支护强度确定后，结合液压支架顶梁长度LD、空顶距及支架支撑效率Ks，计算支架工作阻力P（k N）：

其中：Lk为控顶距，取0.3 m；LD为顶梁长度，取4.5 m；B为支架宽度，取1.5 m；Ks为支架支撑效率，取0.85。经计算P＝5 683 k N。

3.2 统计类比法确定支架工作阻力

以缓斜工作面支架支护阻力与煤层强度和采深成正比、与顶煤厚度成反比为理论基础，对我国30多个综放面实测支架最大载荷Pmax与煤层硬度系数f、采深H以及顶煤厚度Md进行回归，得到如下关系式：

在此前提下该工作面煤层硬度系数f取2.5，采深H 取200 m，顶煤厚度Md取2.54 m，经计算Pmax≈3 598 k N，考虑安全系数1.6，则工作面支架设计工作阻力：

通过计算，选择ZF7200／17／33.5型放顶煤液压支架。该支架为使用较成熟的低位放顶煤支架，配套采煤机为 MG450／1020－WD型，前后刮板输送机为SGZ800／800型。

支架主要参数如下：

支架额定工作阻力（k N）：7 200；

支架额定初撑力（k N）： 6 185；

支架高度（mm）： 1 700～3 350；

支架中心距（mm）： 1 500；

适应煤层倾角（°）： 纵向±20，横向≤17；

支架平均支护强度（MPa）：0.92～0.95。

根据本煤层特征以及顶板岩性，可采取加大采高，加强对夹矸及上位顶煤的破坏作用来降低采放比，以提高整体的冒放性，采高可到3.1 m。通过工作面超前预注水软化夹矸层方式，从不同程度降低了煤层强度，增强冒放效果，在开采中已取得较好的放煤效果。