复合顶板煤层工作面液压支架选型及矿压观测

温宪军

（山西煤炭运销集团大通煤业有限公司，山西 高平 048403）

引言

近年来，由于对煤炭资源的广泛开采应用，顶底板岩层稳定、开采容易的煤层大部分已开采殆尽，对于复杂顶板下煤层的开采越来越频繁，基于复合顶板下煤层工作面液压支架的选型设计，对于煤层顶底板的有效支撑及井下工作人员的安全生产作业极为关键。对液压支架的合理选型，可提高支架的利用性能，提高综采工作面开采工作的安全性，也能有效提高煤矿企业设备选用的经济效益。

1 4103工作面概况

山西某煤矿开采3、5、8号煤层，其中3号煤层与5号煤层间距40 m，开采4号煤层4103工作面走向260 m、斜长2 100 m，煤层平均厚度2.8 m，含有厚度为0.2 m的碳质泥岩夹矸结构，煤层平均埋深350 m，倾角2°～8°。工作面顶板为复合型顶板，顶板压力较大，现对复合顶板煤层工作面液压支架进行选型设计，通过顶板压力对液压支架的工作阻力、支架的适用性进行研究。

其中顶底板岩性为：老顶厚度12～18 m，平均厚度15 m，为石英砂岩；直接顶为砂质泥岩，厚度1.6～9.4 m，平均厚度3.8 m；伪顶为碳质泥岩，厚度在0.3 m左右，随工作面推进落下；底板也为灰色砂质泥岩，较为破碎。具体顶底板岩性情况见表1。

2 支架选型设计

2.1 工作阻力选型设计

4号煤层4103综采工作面采用走向长壁采煤法、一次采全厚开采工艺对煤层进行开采，循环进尺0.6 m，液压支架选型拟为ZY2800/13/28型，超前支护设计为DZ-2.8型与铰接顶梁配合支护。按综采工作面液压支架的工作阻力设计，即承受载荷在8倍采高加煤层质量来进行设计计算，4号煤层设计工作面长度260 m，采高2.8 m，岩石容重按2.5 kN/m3进行计算，顶板压力及顶煤压力计算公式为：顶板压力Q1=8×岩石容重×4号煤层厚度×综采面斜长×液压支架最大控顶距=（8×2.8×2.5×260×6.32）=92 019.2 kN；煤层压力Q2=4号煤层最大厚度×煤体容重×综采面斜长×液压支架最大控顶距=（5.2×1.42×260×6.32）=12 133.4 kN；液压支架承受总压力Q=Q1+Q2=92 019.2+12 133.4=104 152.6 kN。

表1 煤层顶底板岩性特征

通过在工作面安装100架ZY2800/13/28型的液压支架，其总体工作阻力为F=100×2 800=280 000 kN，通过比较F＞Q，说明所选液压支架的工作阻力可满足设计需要。液压支架具体参数见表2。

表2 ZY2800/13/28型液压支架参数

2.2 支撑掩护式液压支架选型设计

基于顶底板岩性复杂，且伪顶为碳质泥岩，岩性致密易于破碎，随综采工作面推进冒落，直接顶为砂质泥岩，岩性水平层理发育较为明显，在工作面推进过程中极易出现顶板冒落现象，因此对液压支架的选型设计要考虑到支架的掩护式设计，因此选取支撑掩护式液压支架对顶板进行支护选型，保障井下工作人员的安全工作。基于该顶底板岩性破碎的现状，结合该矿生产过程中采空区顶板垮落情况为：后半部顶板产生裂隙较多，顶板岩体的变形量较大，易于出现垮落；前部及中部的岩体整体较为稳定，垮落情况较少，岩体出现裂隙的情况较少[1]。因此液压支架选取过程中要考虑到掩护设计，确保井下工作人员在作业过程中避免因顶板岩体垮落或矸石掉落造成人员伤亡。因此ZY2800/13/28型液压支架为支撑掩护式液压支架，具有对破碎顶板及稳定情况不高的顶板进行掩护支撑的效果。

2.3 ZY2800/13/28型液压支架的工作特点

对选用的ZY2800/13/28型液压支架工作性能进行分析，该支撑掩护式液压支架结构由顶梁、掩护梁、支护及底座四大部分构成，底座与顶梁之间由支柱及后部的前后连杆进行铰接，通过推移千斤顶与刮板输送机进行采煤工序推移，实现移架推溜的行走效果。具体液压支架构造如图1所示，其工作特点如下：

1）支架的支撑力大，具有2 800 kN工作阻力设计，顶梁的承受压力效果好；

2）具备掩护梁设计，能够对顶板冒落情况进行有效隔离，将井下工作人员的作业区域与采空区、顶板隔离开来，防止顶板冒落及矸石掉落对工作人员造成伤害；

3）支架的稳定性好，留设工人的作业区域较大，方便行人及工作面正常通风。

4）液压支架构造简单，使用过程中操作难度较低，对于升架降架调节也很方便，便于井下工作人员上手操作[2]。

图1 ZY2800/13/28型液压支架结构示意图

3 矿压监测

3.1 监测方案设计

对4103综采工作面利用KJ216矿压动态监测系统进行来压情况监测，在综采面全长260 m的距离上设计安装120个ZY2800/13/28型液压支架支护顶板，每隔3 m安装一套，依次对液压支架进行编号设计，监测方案为每段支架安设一台矿压监测分机，每段支架组数为30组，分别在区段平巷两端各设一台矿压监测分机，在距离工作面1/2距离处设计一台，在顶板易冒落区域增设一台。

通过对矿压监测分机上的数据进行收集输送，将汇总后的数据传至井上微机，由控制室对液压支架的初撑力及工作阻力进行分析处理。矿压监测分机的具体布设如图2所示。通过控制室收集到的矿压分机监测数据对每日矿压情况如工作阻力、初撑力等进行分析监测。

图2 矿压监测分机布设方案

3.2 监测结果

通过KJ216矿压动态监测系统对井下矿压情况进行实时监测，对传回的数据进行分析并进行曲线图绘制，如图3所示，结合现场实际生产情况及矿井地质条件对采集到的数据进行分析。

图3 矿压监测分机采集工作面压力示意图

图3为某月6号以来对综采面液压支架的工作面工作阻力曲线图，由图3可以看出，在14号该液压支架的工作阻力达到了最大值，约为34 MPa为支架的后部压力；对于液压支架的前部压力，其最大值发生在17号，最大值越为28 MPa；液压支架的中部压力较小，最大值出现在12号，峰值为26 MPa左右。由此可以看出，对于液压支架的工作阻力呈现中间部位高、两头较低的效果，也就是说在顶板来压过程中压力将会由中部向周围进行扩散，但最大压力值也在ZY2800/13/28支撑掩护式液压支架的承受范围之内。在监测过程中复合顶板于13号开始出现顶板的垮落现象，30～75号液压支架最先出现；15号后其余液压支架陆续开始垮落，18号后前30架液压支架顶板垮落。其中中部的初次来压步距在20～30 m之间，后部在35～40 m之间，18号后顶板的初次来压结束[3]。

3.3 矿压呈现规律

4103综采工作面开采过程中具有以下特点：工作面的初次来压步距总体集中在20～40 m的范围之内，总体的工作阻力在15～25 MPa范围内，呈现出中间部分较高、两头较低的趋势。通过对比ZY2800/13/28型液压支架的工作阻力可以看出，在液压支架的承受范围之内，满足开采需要。

4 结语

根据复合顶板煤层工作面复杂的顶底板矿压显现规律及4103综采工作面易破碎的顶底板岩性，从液压支架工作阻力及支撑掩护设计两方面进行选型，确定应用ZY2800/13/28型的支撑掩护式液压支架对4103综采工作面顶板进行支护，并对该工作面的矿山压力进行监测。由监测结果看出，液压支架的初撑力及工作阻力完全符合实际工作面生产设计要求，可以确保工作面的安全生产。