综采面放顶煤液压支架选型与参数确定研究

乔粉先

（山西省忻州市河曲县煤炭服务中心，山西 河曲 036500）

1 13204工作面概括

麻地沟13号煤层赋存稳定，水平标高为+969m，井田内大部含3层夹矸，结构复杂。13204工作面煤层平均厚度10.95m，工作面采高为3.5m，放煤高度7.45m，采放比1：2.13。13204工作面位于二采区东部，西部隔25m煤柱为13203工作面采空区，南部到二采区回风大巷，北部到本工作面切眼，东部隔18m煤柱为本矿矿井保护煤柱，上部8、9号煤层均不可采。回采工作面采用两条顺槽，顺槽采用锚网支护，回采工作面采用后退式开采。

13号煤层为全区稳定可采煤层，井田总体为一单斜构造，地层总体走向NE，倾向NW，地层倾角10～30°。顶板岩性为泥岩、炭质泥岩，厚度0.70～3.85m，平均1.5m，结构面呈水平层理，裂隙较发育；顶板泥岩抗压强度18.1～32.7MPa，抗拉强度为0.50～2.2 MPa。底板为泥岩、炭质泥岩，厚度0.3～3.90m，平均1.30，结构面呈水平层理，裂隙较发育；底板泥岩抗压强度15.6～19.4MPa，13号煤层下部泥岩之下灰岩的抗压强度69.0～88.9MPa，抗拉强度为0.3～7.2 MPa。13号煤层矿床为砂岩裂隙充水矿床，矿井水文地质类型为中等类型，顶板为中等冒落的顶板。

2 13204工作面液压支架选型与参数

2.1 初步选型

13204工作面液压支架选型的出发点为综放设备可靠性与国内外先进技术的采用，同时还需满足工作面具体条件，完成综放设备的配套选型。因此液压支架选型需遵循以下原则：架型与地质状况匹配，最大/最小支撑高度满足工作面需求，可靠性满足生产需求，断面符合通风要求，尺寸适应矿井运输条件等。此外当煤层厚度较大、硬度强时，液压支架放煤口尺寸满足顶煤对放煤空间的要求，且能上下摆动，具备一定破煤能力。

随着工作面推进，放顶煤放出与采空区放煤量不同，使顶板形成分段来压。放顶煤放出造成顶板合力作用点前移，进而造成支架整体受力不均匀，并且顶板合力作用点前移超出应力均衡点时，两柱式液压支架存在顶梁低头的可能性。四柱式液压支架合力作用点位置范围更广，但有效支护效率则相对较低。顶煤放出过程中，四柱式液压支架顶梁较长，会对顶煤造成多次反复支撑，使顶煤充分破碎，从而利于顶煤放出。考虑到13204工作面放顶煤与顶板特性，支撑掩护式液压支架拥有更广的适用范围，且稳定性高，因此为更好地适应13204工作面中等冒落顶板与围岩实际，从安全、高效生产的目的出发，液压支架初步选型为四柱式支撑掩护式液压支架。

2.2 参数确定

（1）中心距。结合麻地沟13204工作面地质条件等因素，以及当前我国常用液压支架类型，液压支架中心距选定为L=1.5m。

（2）支护强度。液压支架支护强度确定的影响因素众多，包括顶板岩性、厚度与结构，以及抗压强度与抗拉强度。液压支架支护强度的选择对放顶煤安全开采具有决定性影响，支护强度过大，对控制顶板下沉量影响小，支护强度过小，则易导致顶板下沉严重而发生支架事故。13204工作面顶板主要为泥岩及炭质泥岩，厚度0.70～3.85m，平均1.5m，结构面呈水平层理，裂隙较发育。顶板泥岩抗压强度 18.1～32.7MPa，抗拉强度为0.50～2.2 MPa。考虑到13204工作面的实际情况，液压支架强度确定采用估算法，具体如下：

式中：

P-液压支架支护强度，MPa；

M1-13204工作面煤层平均高度，m；

M-机采采高，m；

γ1-煤层密度，t/m3；

γ2-岩层密度，t/m3；

α-煤层倾角，（°）。

结合13204工作面的综合资料和相关估值，将数据带入上式中，可得到液压支架支护强度的范围。

P={ 9.76×9.8×1.41·cos (20～60)+[(6～8)×3.5-9.76]×9.8×2.6·cos (20～60)}/1000

=0.42～0.59 （MPa）

（3）工作阻力。从13204工作面实际安全生产的要求出发，液压支架工作阻力的计算方法有以下三种，结合计算结果，选择数值最大的为液压支架额定工作阻力的最小值。

方法二：现场实测回归公式法，经计算P2=7219kN；

因此，结合三种方法计算的最大值，以液压支架结构计算的参数值进行调整，确定13204工作面液压支架工作阻力为9000kN。

（4）支撑高度。13204工作面最大机采高度为3.7m，为保证必要的作业空间，以及满足便于顶板管理的要求，以及液压支架与采煤设备的配套性，通过计算确定最大支撑高度的最小值，以及最小支撑高度的最大值。计算公式如下：

Hmax≥hmax+m1

Hmin≤hmin-m2-α-σa

式中：

Hmax与Hmin-分别为支架的最大、最小高度，m；

hmax与hmin-分别为工作面最大、最小采高，m；

m1-空顶或其他因素，取值300mm；

m2-支架上方顶板下沉量最大值，取值200mm；

α-支架移架所需最小可缩量，m；

σa-支架与顶板间浮矸，m。

经计算，Hmax=3.7+0.3=4.0m，Hmin=2.7-0.2-0.05-0.05=2.4m。

（5）13204工作面支架布置架数。

式中：

L工-工作面长度，取值180m；

L-液压支架中心距，取值1.53m。

由此可知支架数量为118。为保证工作面上下顺槽头和设备机头机尾的安全和维护，需在工作面与顺槽连接的端头加强支护，共6架，端头端尾各3架，则中部布置112架基本液压支架。

综上所述，13204工作面选用ZF9000/24/40型放顶煤液压支架，工作面端头支护采用工作面支架配套的ZFG10800/24/38型过渡液压支架。

3 液压支架操作注意事项

13204工作面顶板不易管理，工程地质条件的复杂程度属中等，因此液压支架在实际操作中可结合工作面推进实际情况，当矿压明显增大时可适当加大支护长度和支护密度。在顶板管理时，随着采煤机推进，移架工作不能滞后采煤机滚筒大于5m；片帮板需随支架同时移动，无法收回时需保证牢固；顶板较为破碎时可采用承压移架，当煤壁片帮严重时需割一架拉一架。

当选定液压支架后通过验证理论计算，以及支护强度数值模拟研究，最终确定13204工作面选用ZF9000/24/40型放顶煤液压支架，工作面端头支护采用工作面支架配套的ZFG10800/24/38型过渡液压支架。

4 结语

最终确定的ZF9000/24/40型放顶煤液压支架对麻地沟煤业13204工作面煤层厚度与倾斜角具有良好的适应性，且其提供的断面空间符合13204工作面通风要求，实现了工作面的快速推进。总之，ZF9000/24/40型液压支架在13204工作面的成功应用，实现了煤矿安全、高效、集约生产。