霍宝干河煤矿2-1052工作面支架选择分析

来登峰

(山西霍宝干河煤矿有限公司 , 山西 临汾 041602)

煤矿的巷道支架选型一直以来都是世界难题，针对此方面的研究成果数量众多，国内外学者针对工作面的支架选型做了大量工作。冯浩等[1]通过对斜沟煤矿3403工作面支架参数优化，采用理论分析和工业试验验证合理性，从而实现快速安全掘进。张代详等[2]通过对东滩煤矿3304工作面支护参数设计，结合数值模拟和现场试验，使得采煤工作面变形得以控制。孙志勇等[3]对寺河矿西区W23013工作面进行优化设计，实现位移变形控制，提高经济效益的目的。杨启楠等[3]针对新庄煤矿炮采工作面的支架参数改进问题，采用理论分析查出问题从而实现安全开采。

如何选取合理的技术参数是各大矿区普遍面临的问题，本文针对霍宝干河煤矿2-1052工作面支架选型进行讨论，为实现顶板的安全控制提供依据。

1 工程背景

2-1052工作面井下相对位置在一采区的左翼，西北侧为F13断层，西南侧为一采区3条大巷，东北侧为小河村保安煤柱边界，东南侧为下张端断层。工作面地表位于工业广场东南部，地表形态属低山黄土丘陵，以黄土梁、垣特征，黄土冲沟发育，黄土覆盖厚度42～113 m，基岩厚度279～475 m。其中2号煤层厚度为3.4～4.4 m，平均厚度4.2 m，倾角在2～10°，煤层顶底板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，结构松软强度较低，遇水易崩解。2煤层位于二叠系下统山西组(p1s)，光泽较暗，主要由暗煤和亮煤组成，属半暗型煤。硬度和韧度较大，节理不发育，视密度为1.44 t/m3。

2 2-1052工作面支架选择及主要参数计算

2.1 2-1052工作面支架支护强度与工作阻力确定

现行常用的工作阻力计算方法为采高容重法，根据矿山压力的相关理论，工作面液压支架需要能够承受6～8倍采高的顶板岩石重量，霍宝干河2-1052工作面所处2号煤层具有结构强度低，遇水易垮落的特点，取8倍采高的顶板岩石重量进行计算，具体如下：

2.1.1 支架的强度计算

P=KMγcosα×10-3

(1)

式中:P为支架的支护强度，MPa；K为影响系数，取K=8；M为煤层的最大采高，取M=4.5 m；α为煤层的倾角，取α=10°；γ为容重，取25 kN/m3。

将2-1052工作面参数带入式(1)，计算可得：P=0.64 MPa。

2.1.2 支架的工作阻力计算

支架工作阻力确定现在采用控顶面积的方式来计算，其额定工作阻力F应该满足：

F=PBL/cosα

(2)

式中:L为液压支架中心距，取L=1.85 m；B为控顶距，取B=5.5 m。将2-1052工作面参数带入式(2)，计算可得：F=8 262 kN。

2.2 2-1052工作面支架支撑高度计算

合理的支架支撑高度能够保证回采过程中工作阻力的有效发挥，霍宝干河煤矿2-1052工作面的最大煤厚为4.4 m，最小煤厚为3.4 m，支架应满足煤厚的要求，其高度计算如下：

σ2(G)表示G中两个不相邻的点的最小度和。2016年,文献[9]中给出,若树T满足n2(T)≤n1(T),且树的直径为3或任意两树之一的直径为4时,那么它的点可区别边色数为n1(T)+1,否则它的点可区别边色数为n1(T)。

2.2.1 支架的最大支撑高度计算

Hmax=Mmax+S1

(3)

式中：Mmax为工作面最大采高，取4.4 m；S1为支撑高度富余系数，取0.1 m。

2.2.2 支架的最小支撑高度计算

Hmin=Mmin-S2

(4)

式中：Mmin为工作面最小采高，取3.4 m；S2为顶板下沉量，取0.2 m。

将各项数据带入公式(3)、(4)可得：2-1052工作面最大支撑高度和最小支撑高度为：Hmax=4.5 m、Hmin=3.2 m。

2.2.3 2-1052工作面支架架型选择

支护强度的确定是支架选择的关键因素，针对霍宝干河煤矿的地质概况采用国家顶板分类统计法和采高倍数容重法来确定支架所需支护强度，最终实现2-1052工作面的安全高效开采。

根据地质资料查明，顶板所处2号煤层的碎涨系数为1.2；2号煤层的预开采最大高度为4.5 m；顶板的平均密度取2.5 g/cm3;支架的合理支护强度为11.2 MPa。通过安全规程可确定基本顶为2级，从而可知2号煤的支护强度下限为q=623 kN/m2。最终确定2号煤层的支架支护强度应大于0.64 MPa，出于安全考虑取为0.70 MPa。

综上所述，结合矿上基本情况，2煤层支架阻力选择为8 000 kN至12 000 kN可保证安全开采。对于支架的确定要满足以下技术要求：支架高度为3.2～4.5 m，支护强度控制在0.7 MPa至2 MPa之间，工作面和2煤层条件下计算得到的工作阻力最大值为8 262 kN。根据以往支架选择情况，2-1052工作面选用ZY9000/25.5/55型支架。

3 工作面液压支架的布置

3.1 支架工作面布置

3.2 支架选型验算

常用的验算方法有按支架支护强度验算以及按底板比压验算，这两种方法与工程现场密切相关，可靠性较高。

1) 支架支护强度验算法。首先确定支架的支护面积S，支架前梁接触面长度与支架前梁接触面长度的乘积计算得到7.26 m2;计算ZY9000/25.5/55型双柱掩护式液压支架支护强度为1.25 MPa。ZY13000/26/55型双柱掩护式液压支架的额定阻力Q=13 MN,计算可得其支护强度为1.65 MPa。ZY9000/25.5/55型支架强度大于支架控制强度0.7 MPa，ZY13000/26/55型亦大于其支架控制强度，所以支架强度验算符合安全生产要求。

2) 底板比压法。根据地质资料可知地板的岩性基本上为泥岩，其抗压强度为9.2～12.8 MPa，ZY9000/25.5/55型支架的底板抗压强度为2.7～3.1 MPa。通过数据对比可知支架对底板的比压强度远小于泥岩的抗压强度，完全符合安全要求。

表1 2-1052工作面支架参数

综上所示，支架强度验算和底板比压得出的结果证明支架选型符合要求，从而最终确定ZY9000/25.5/55和ZY13000/26/55型双柱掩护式液压支架作为2-1052工作面的支护设备。

4 工作面矿压实测及分析

对2-1052工作面回采期间液压支架工作阻力进行观测，判断选型是否合理。通过对15号、30号、45号、60号液压支架阻力进行监测分析，对得到的数据处理得出支架工作阻力曲线。2-1052工作面工作阻力曲线如图1所示。

根据图1，2-1052工作面回采期间15号支架工作阻力平均值为6 219.4 kN,最大值为6 988.1 kN，最大值与额定值之比为83.19%；30号支架工作阻力平均值为5 877.4 kN,最大值为7 017.6 kN，最大值与额定值之比为83.54%；45号支架工作阻力平均值为6 585.5 kN,最大值为7 0412.6 kN，最大值与额定值之比为88.23%；60号支架工作阻力平均值为6 677.6 kN,最大值为7 398.3 kN，最大值与额定值之比为88.08%，均在额定阻力范围内。根据监测数据绘制工作面工作阻力曲线如图2所示。

图1 各支架工作阻力变化曲线

从图中可以看出，在工作面推进35m左右时，出现初期来压，支架的工作阻力为37 MPa，工作面推进60 m左右时，基本顶的周期来压现象明显工作阻力为38 MPa，来压步距为25 m。监测期间内其他来压时间分别为推进86 m、112 m和137 m时，工作阻力分别为36 MPa、34 MPa和38 MPa，根据计算得出68根单体支柱的承载能力为85～112 MPa，故支架选型合理，满足安全生产要求。

图2 2-1052工作面工作阻力曲线

5 结 语

1) 支架高度为3.2～4.5 m，支护强度控制在0.7～2 MPa之间，工作面和2煤层条件下计算得到的工作阻力最大值为8 262 kN。根据以往支架选择情况，2-1052工作面选用ZY9000/25.5/55型支架和ZY13000/26/55型液压支架。

2) 实践证明，ZY9000/25.5/55型支架和ZY13000/26/55型液压支架对于工作面的顶板控制安全有效，可在有效承载范围内满足安全生要求，实现顶板变形的有效控制。