28802 工作面支护技术设计分析

李 勇

（西山煤电东曲矿，山西 古交 030200）

1 东曲煤矿28802 工作面概况

1.1 28802 工作面基本情况

28802 工作面位于麻坪岭村东南部位的东曲煤矿，本文选用的八采区的8 号煤，煤层顶板到地面的垂直厚度是185～331 m。东北部是大巷保护煤柱；西北部是水平石门及大巷保护煤柱；西南部是八采边界回风巷；东南部是已采出煤矿的28804 工作面。位于上方位置的大部分2 号、4 号煤未采出。煤层距离4 号到8 号为82 m，8 号到9 号为5 m。8 号煤层组厚度范围为4.2～6.6 m，平均厚度5.26 m；8 号上层煤层厚度范围0.58～0.8 m，平均厚约0.62 m；8 号煤厚度范围在3.2～4.5 m，平均厚约3.64 m；8 号上层煤层及8 号煤总厚度为4.26 m；8 号上层煤层与8 号煤之间既有分叉又有合并，8 号上层煤层与8 号带废渣煤层厚度在0.1～2.4 m，平均厚约1.0 m。煤层顶底板岩层特征见表1。

表1 煤层顶底板情况

1.2 28802 工作面的地质构造

28802 工作面整体呈单斜构造，有4 条宽缓岩石弯曲存在；皮顺侧距切眼461 m、轨顺侧距切眼484 m，皮顺侧距切眼739 m、轨顺侧距切眼715 m，有2 条褶曲为背斜，轴走向分别为126°～153°、135°；皮顺侧距切眼611 m、轨顺侧距切眼600 m，皮顺侧距切眼863 m、轨顺侧距切眼818 m，有2 条褶曲，向斜，轴走向分别为135°、109°～131°，对回采有一定影响。

1.3 28802 工作面的水文地质

水文地质情况：本工作面水文地质条件中等。地表因上组煤回采造成的裂缝塌陷坑已填埋压实，地面有楼栓沟、铁磨沟穿过，为季节性河流，对回采无影响。8 号煤层上部有三层分别为L4、K2、L1 灰岩含水层，富水性弱。该工作面直接顶为L1 灰岩含水层，采煤过程中遇裂缝发育或揭露地质构造时，可能会有淋水情况，应做好排水工作。预计正常用水量为：2 m3/h，最大涌水量为：10 m3/h[1-2]。带压开采情况：工作面标高为818～860 m，奥灰静水位标高为825～830 m，28802 皮顺距切眼155 m、轨顺距切眼199 m 范围内带压。突水系数为0.011 MPa/m，小于0.06 MPa/m，属于带压相对安全区。上方采空区情况：该工作面上方2 号煤、4 号煤均大部分未回采，22101 工作面、24101工作面采空区西翼轨道巷煤矿聚集水全部排放完毕，4 号煤与8 号煤层间为82 m，对回采无影响。工作面范围内距切眼26 m 有一个煤田孔（D46），距切眼899 m 一个水文孔（水-108），钻孔封孔良好，对回采没有影响。

2 28802 工作面液压支架设计

2.1 液压支架的构造

液体支架在煤矿开采、工作面支护过程中发挥着重要的作用，同时，构造形式多种多样。在工作面支护设计过程中，需要根据支护面不同的特点选择相应的液压支架。液压支架由顶梁、立柱、掩护柱、活动侧护板、底座、推移装置和控制系统组成[3-4]。

2.2 液压支架的工作原理及设计要求

液压支架通过高压液体所产生的压力来进行支架的支撑，在这一过程中，需要有防止金属黏结腐蚀的乳化液，在立柱升起的过程中推动立柱，提供支撑力不断增强增强支架的支撑力，直到与顶板产生的压力相当，通过安全阀将立柱固定，以保证支架能够提供稳定的支撑力，确保使用过程中的强度、刚度。液压支架最首要的要求是具有稳定性，对顶板压力进行及时支护及并保证底座不会陷落，同时还需确保前方的安全性，避免岩石冒顶造成局部脱落。液压支架需要排出煤矿生产产生的废渣，确保操作环境的安全性，要有良好的照明条件、能够与外界保持好通讯、通风状况良好。液体支架要求对顶板、底座、接口都有良好的适应性，安装操作简单、运输和维护成本低。

3 液压支架主要参数的确定

3.1 液压支架中支柱的高度

不同煤层有着不同的高度，为了适应煤层的高度范围，支架的高度需要具备一定的可调控性。支架高度的调控需要适度，调控范围过大会降低支架的强度，但是支架调控范围过低，不能满足对不同煤层高度实现调控的需求。我们需要根据煤矿方提供煤层高度信息设计液压支架中支柱的高度的调控范围。下面是28802 工作面液压支架支柱的高度设计范围。

1）支柱最大高度

式中：Mmax为巷高，取4.0 m；b 为顶梁厚度，取0.1 m；c 为支柱的富裕行程，取0.2 m。将数值代入公式得Hmax=4.1 m。

2）支柱的最小高度

式中：Mmin为工作面开缺口处最小开采高度，为4.0 m；Δh 为顶板在最大支护梁和采矿宽度下的平均最大下沉量，取0.2 m；b 为顶梁厚度，取0.1 m；a 为支柱的富裕行程，取0.2 m。将数值代入公式得Hmin=3.9 m。

根据以上计算，本工作面选用DZ-42 型单体液压支柱。液压支柱的使用能够降低矿井工人的工作强度，提高安全生产性能，解决不同硬度顶板的支护问题，实现煤炭资源的高效利用。

3.2 液压支架中乳化液泵站参数设计

乳化液泵站为液压支架提供动力，科学合理的设备配套是工作面回采的重要依据。通过合理设计乳化液泵站的压力、流量、功率、容积，可以为液压支架选择到合适的泵站，为液压支架提供稳定的动力来源，确保液压支架的高效工作，为28802 工作面提供了持续稳定的乳化液，不会出现渗漏问题和故障现象，为工作面安全高效的生产活动的进行奠定基础。

3.2.1 根据液压支架初撑力确定泵站压力Pb1

式中：2 为系数；πD2/4 为液压柱的底面积，p1为液压支架初撑力，取6 410 kN；z 为架液压支架立柱根数，取4；D 为支架立柱的缸体内径，取0.26 m。将数值代入公式得Pb1=42 MPa。

3.2.2 泵站流量Q

液压支架中泵站流量为作用在工作面上立柱最大流量与千斤顶最大流量的总和，同时还要提供足够能量确保液压支架的快速移动，泵站流量的计算如下：

式中：n1为移动液压支架时同时升降的立柱数，取2；n2为移动液压支架时同时伸缩的千斤顶数，n2=1×2=2；s1为移动液压支架时立柱的行程，取0.2 m；液压支架中B 为移动液压支架时千斤顶的行程，取0.7 m；F1为立柱环形腔的作用面积，取85 cm2；F2为液压支架活塞的作用面积，取530 cm2；F3为推移千斤顶的作用面积，取113 cm2；L 为支架架间距，取1.75；vc为采煤机牵引速度，取0.24 m/min；t4为移动液压支架过程中的其他辅助时间，取0.2 min；η1为泵站容积效率，取0.9～0.92。

将数值代入公式得Q=19.9 L/min。

3.2.3 泵站功率N

式中：p 为泵站的额定压力，P=42 MPa；η 为泵站的效率，η=0.9。

将数值代入公式得：N=152 kW。

3.2.4 泵站乳化液箱容积V

按泵站工作流量选择容积为：

式中：Q0为从液箱箱底流过吸液口液面最低处时的流量，取150～200 L。将数值代入公式得V1=209 L。

泵站停止工作时，轨道顺槽液管回流的全部流量：

式中：d1，d2分别为主进管、回液管的内径，均取5 cm；L1，L2分别为主进管、回液管的长度，均取3 500 cm。将数值代入公式得V2=347 L。

煤层厚度变化时，液压支架立柱发生伸缩变化，发生变化过程中需要的流量：

式中：D 为立柱缸体内径，取26 cm；h 为煤层厚度变化量，取100 cm；n 为每架支架的立柱数，取4；z1为同时动作的支架数，取2 cm。将数值代入公式得V3=212.2 L。

乳化液箱容积V=V1+V2+V3=768.2 L。

因为采煤高度不同，液压支架会发生变化，乳化箱要求能够满足液压支架变化所需要的乳化液量，同时还需要容纳流进液体和回流液体，保证足够容积。因为煤层变化不大，采煤高度导致液压支架变化需要的乳化液量可以忽略。所以，本文选择的液压泵为BRW200/31.5 型，选择的乳化液箱为XR-WS800，选择的乳化液输液管为Φ38 mm 高压管。

4 28802 工作面的锚杆加强支护设计

4.1 锚杆支护的原因

在煤矿巷道施工过程中，因为来自周围矿山顶部、底部和侧部的矿压作用于矿道可能会导致巷道的坍塌而导致采矿工人的死亡，在支护设计的过程中，需要根据工作面的不同地质条件进行适宜的支护设计，同时还需要必要的强化工作面支护的措施，确保采矿工人的生命安全。根据工作面的斜矩形形状我们选择锚杆加强支护。锚杆支护可以在矿山内部对岩石进行加固，形成一个一体化承载结构，充分利用岩石稳定性和承载能力防止岩石的变形，保证巷道的稳定，提高工作面的进行效率。

4.2 锚杆支护的设计

4.2.1 锚杆长度

式中：KH为安全系数，经验值取2；L1为锚杆到达稳定岩层的锚杆深度，经验值取0.6 m；L2为锚杆在巷道中的裸露长度，经验值取0.1 m。

将数值代入公式得LL＝2.7 cm。

4.2.2 锚杆固定处与岩石结合力的确定

锚杆的锚杆固定处与岩石结合力大于或等于悬挂中的不稳定岩层的重量，按下式计算：

式中：Q杆为锚杆锚杆固定处与岩石结合力，kN；K1为安全系数，经验值为2～3；a杆1为锚杆之间间距，经验值为0.92 m；a杆2为锚杆排距，经验值为1 m；γ为易坠落岩石的平均重力密度，取25 kN/m3。

将数值代入公式得：Q杆=9.2 kN。

4.2.3 锚杆的直径

根据锚杆杆体承载力与锚杆固定处与岩石结合力等强的原则，按下式计算：

式中：d杆为锚杆直径，m；σs为锚杆杆体的屈服极限，矿选用HBR335 螺纹钢锚杆屈服极限取335 MPa（1 MPa=1 000 kN/m2）。

将数值代入公式得d杆=0.018 m。

5 结语

28802 工作面的支护设计包含严谨的计算过程，要结合煤层高度特点、地质情况、工作面形状等诸多因素进行综合分析设计，确保工作面的稳定性和安全性，保障煤矿高效有序的开采，促进煤矿企业的持续稳定发展。