大倾角煤层综采液压支架选型研究

刘彦君

（西山煤电（集团）山西支护器材开发有限责任公司，山西 太原 030053）

1 矿井概况

西铭矿地质构造比较简单，多数煤层开采属于缓倾斜或近水平开采，煤层厚度变化不大，顶板管理较简单，液压支架选型比较容易，不同采区煤层开采液压支架的选型可利用原有支架的选型经验。

该矿29203工作面正常推进390 m时，矿压显现比较明显，煤壁剪切破坏现象增多，液压支架明显已不适用目前的开采状况。根据地质勘查报告可知，工作面继续向前推进时有一比较发育的褶皱，导致煤层开采的倾角发生很大变化。为保证工作面顺利推进通过特殊的地质构造，必须对液压支架重新进行研究，选择适用于该地质条件的支护体系。

本文采用理论计算加数值分析相结合的方法，对工作面遇到特殊地质构造条件煤层倾角发生大的变化时工作面液压支架的选型进行研究，且通过在线监测的方法，对液压支架的适用性进行分析，保证液压支架的选型合理、安全。

2 煤岩层地质力学性质

该矿煤岩层共有9层，其中，29203工作面开采厚度平均为3.6 m，遇到褶皱时煤层倾角可达55°。煤岩层力学性质如表1所示。

3 液压支架选型

3.1 支护强度计算

3.1.1 理论计算

液压支架的支护强度应根据支架工作阻力进行计算，对于大倾角煤层工作面开采时支架的支护强度采用如下经验公式进行计算：

式中：

Pt-工作面合理的支护强度，kN/m2；

h-放顶煤开采时放顶高度，此处取13.4 m；

ρ-顶板平均密度，取值1490 kg/m³。

k-工作面上覆岩层的采厚比，大倾角开采时可取 1/3～1/2。

带入数据，经计算可知工作面液压支架的支护强度为0.6 MPa。

表1 煤岩层力学性质

3.1.2 相似模拟试验法

根据29203工作面的地质条件，建立FLAC3D数值模拟弹性模型，利用库伦摩尔准则，模拟开挖过程的应力、应变的变化，从而得出该模型下应力的变化规律，结合此规律，模拟不同支护强度下顶板位移的变化，进而得出最优的支护强度。

FLAC3D数值模型参照表1的煤岩层力学性质表，建立长×宽×高=800×500×1000m的模型，对综放工作面开挖过程中应力分布规律，以及采取不同支护强度下顶板位移的变化情况进行研究，模型及应力变化如图1所示。

图1 数值模拟模型

由图1可知，模型开挖过程中应力的分布为自上而下递增。液压支架的支护强度对顶板下沉量的影响也呈线性关系，支架的支护强度与顶板下沉量的关系如图2所示。

图2 控顶区支架支护强度与顶板下沉量的关系

图2 中，s为支架到综放工作面的距离，当支架的支护强度为0.7 MPa时，为控制顶板下沉量最经济与最合理的节点，所以在距离工作面不同距离处，选择支护强度为0.7 MPa的支架为29203工作面最合理的支护强度。

3.2 支架初撑力选择

支架如果想较快发挥支撑作用，对顶板下沉量有明显的控制作用，必须设置合理的初撑力，这样有利于支架承受顶板来压，防止煤岩层的离层，从而避免了早期顶板下沉量较大，下沉速度较快。

支架的初撑力F的计算可根据下式：

式中：

Lα-支架宽度，m；

-顶板梁的长度，m；

-第一分层老顶梁的长度，m；

γ0-煤层平均密度，kg/m3；

h-顶煤厚度，m；

h1-直接顶厚度，m；

γ-岩石密度，kg/m3。

带入数据，可知初撑力F为3801 kN。

3.3 支架技术参数选择

根据本矿遇到的实际地质条件，结合相关技术参数，29203工作面中部选用的液压支架型号为ZF3800/17/28，为支撑掩护式液压支架，支架高度为1.6～3.6 m可调，架体整体性较好，抗扭能力强，支架连杆间距为1.25 m，支护、推移、架设方便，人行通道比较宽敞，工作阻力为3820 kN，支护强度为0.74 MPa，支架前端的伸缩梁长度达到0.7 m，可及时对暴露的顶板进行支护，减少了顶板直接暴露的时间，安全性较高。液压支架技术参数详见表2。

4 液压支架适用性研究

采用KJ21矿压动态监测系统对29203工作面的矿压进行实时监测，采煤工作面推进470～540 m时，对液压之间的工作阻力进行测量，并且绘制频率分布直方图，可形象地得出支架工作阻力的分布呈正态分布形式，为比较合理的状态，如图3所示为工作阻力分布图。

表2 ZF3800/17/28型液压支架其他技术参数表

图3 支架工作阻力频率分布直方图

对正常回采时煤壁前方塑性区分布进行分析，可知，在0.74 MPa的支护强度下，煤壁前方塑性分布较合理，证明选择的支架支护强度可满足本工作面继续开采的使用要求，如图4所示为工作面煤壁前方塑性分布图。

图4 煤壁前方塑性区分布图

5 结论

通过理论计算和数值模拟对液压支架的支护强度进行分析，进而确定了0.7 MPa左右的液压支架支护强度比较合理，进而根据地质条件及煤层物理性质，选择了适用于29203工作面的液压支架，且经现场验证，选择ZF3800/17/28型液压支架时支架工作阻力分布合理，煤壁前方塑性分布合理，有利于安全、高效、经济生产。