关于大倾角综放工作面液压支架的选型

杨显彪

(晋能集团 新村煤业有限公司，山西 长治 046308)

随着煤矿开采技术的不断发展和机械化水平的提高，适用于大倾角煤层的采煤方法和机械设备也越来越完善，并在生产实践中取得了良好的经济效益。在大倾角煤层的开采过程中，工作面液压支架经常发生倾倒失稳等现象。为保证矿井安全高效生产，对工作面机械设备进行合理选型至关重要。本文以孟家窑煤矿5号煤层开采为例，在综合分析综放工作面支架-围岩相互作用关系的基础上，计算确定工作面液压支架的支护高度和工作阻力[1-3]。

1 矿井概况

孟家窑煤矿位于宁武县城西，矿井设计生产能力为120万t/a；井田范围内5号煤层平均角度为25°以上，局部地区达30°以上；煤层厚度为8.44～16.82 m，平均13.74 m；顶板多为细—中粒砂岩，底板多为砂质泥岩、泥岩和细粒砂岩；属坚硬顶板条件下的倾斜—缓倾斜煤层。

矿井采用综采放顶煤采煤方法开采5号煤层，割煤高度为3.50 m，放煤高度为10.24 m。

2 支架—围岩相互作用关系[4]

在大倾角综放工作面的支护系统中，支架与围岩共同构成了“基本顶—直接顶—支架—底板”力学体系，支架—围岩间相互作用；在支架—围岩的关系中，围岩的运动破坏是绝对的，而支架起到承载和相对阻止这种变形破坏的作用，进而满足工作面安全生产。考虑到大倾角煤层倾角，随着工作面推进，垮落的矸石会沿工作面倾斜方向下滑到工作面后方采空区下部，垮落的矸石会在支架—围岩相互作用的关系中起到一定的承受上部载荷的作用。大倾角综采放顶煤工作面支架-围岩系统结构模型如图1所示。

图1 大倾角综采放顶煤工作面支架-围岩系统结构模型

3 工作面液压支架选型[5]

工作面液压支架选择的合理与否直接关系着矿井能否安全高效生产，而合理确定液压支架的工作阻力是工作面围岩控制的关键。

工作面液压支架的选型计算主要包括支护高度和工作阻力等。

3.1 支护高度的确定

1) 支架最大高度：

HZmax≥Mmax

式中：HZmax为支架最大支护高度，mm；Mmax为工作面最大采高，3.5 m；

经计算：HZmax≥3.5 m。

2) 支架最小高度：

HZmin≤Mmin-S2-g-e

式中：HZmin为工作面最小支护高度，mm；Mmin为工作面最小采高，3.5 m；S2为顶板下沉量，200 mm；g为顶梁上、底座下的浮矸厚度，取50 mm；e为移架时支架回缩量，取100 mm。

经计算：HZmin≤3.15 m。

3.2 支架工作阻力的确定

目前，计算支架工作阻力的方法主要有：载荷估算法、实测统计法和理论分析法。

1) 载荷估算法。通过对国内30多个大倾角综放工作面开采过程中实测液压支架最大载荷与煤的硬度、采深和顶煤厚度进行线性回归，得出关系式：

P=PmaxK

=(1 939+2.1H+471f+155/Md)×K

式中：P为工作面工作阻力，kN；Pmax为液压支架最大荷载，kN；H为5号煤层最大埋深，930 m；f为煤层普氏系数，取1.8；K为安全系数，取1.35；Md为顶煤厚度，10.24 m。

经计算：Pmax=6 419 kN。

2) 实测统计法。随着采放厚度增加，顶板来压时支架的循环末支护强度随之升高，但幅度减小。支护强度表示成煤层厚度与岩石体积力的乘积，即：

q=knMγ

式中：q为支架支护强度，MPa；k为安全系数，取k=1.2～1.5；n为折算系数，n=9.768M-0.79；M为煤层全厚，13.74 m；γ为岩石体积力，取2.5 t/m3。

经计算：q=0.64 MPa。

支架的工作阻力应为：P=qS

式中：P为工作面工作阻力，kN；q为支架支护强度，MPa；S为支架正常的有效支护面积，取6.9 m2。

经计算：P=4 416 kN。

3) 理论分析法。根据大倾角综采放顶煤工作面液压支架工作阻力力学模型(见图2)，大倾角综采放顶煤工作面支架支护强度计算公式为：

q=Kd×(q冒+q顶煤)×cosα

式中：q为工作面架所需支护强度，MPa；α为煤层倾角，25°；Kd为基本顶失稳时的动载系数，取1.2；q冒为垮落带岩层自重应力，q冒=γ顶h，γ顶为顶板岩层容重，取24 kN/m3，采出率按93%计，煤岩碎涨系数按1.4计，经垮落公式计算得h=31.9 m；q顶煤为支架上方顶煤自重应力，q顶煤=γ顶煤M，γ顶煤为顶煤容重，取13 kN/m3，M为顶煤厚度，取10.24 m。

图2 5号煤层支架工作阻力力学模型

经计算：q=0.98 MPa。支架工作阻力计算如下：

P=q×(Lk+Ld)×B/Ks

式中：P为支架工作阻力，kN；q为支架的支护强度，0.98 MPa；Lk为端面距，取0.3 m；Ld为顶梁长度，取4.6 m；B为支架中心距，取1.5 m；Ks为支架支撑效率，取1。

经计算：P=7 203 kN。

通过对上述三种不同方法的计算结果进行对比，确定5号煤液压支架支护阻力为7 203 kN。

3.3 基本液压支架的确定

根据前述对液压支架支护高度和工作阻力的计算，经综合对比分析，工作面选用ZF7800/17/35型液压支架，支架结构参数见表1。

表1 基本支架结构参数

4 结 语

1) 针对孟家窑煤矿5号煤层赋存条件和开采方法，合理选择了支架-围岩系统结构模型。

2) 矿井5号煤层开采过程中，液压支架的支护高度范围为3.15～3.5 m；支护强度应大于0.98 MPa，工作阻力应大于7 203 kN；通过综合比选确定选用ZF7800/17/35型液压支架，为矿井大倾角综采放顶煤液压支架的选型提供了参考。