浅埋煤层长距离工作面支架选型特征研究

胡魏魏

（陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710100）

针对长距离工作面的整座煤矿开采程序在技术方面和坚固值上需要更高的标准，总体分析诸多地层结构情况下煤矿开采方式造成的外覆岩石层资源开采毁坏特点，优化此种地质条件特征匹配的智能工作面开采所需要的配套设备的选型参数[1-5]，智能化矿井建设的更加合理。研究发现液压支撑架的设备选型关键是分析液压控制系统支撑架的承重载荷和顶部覆盖围岩稳定性会引起的上覆岩层重压是否可以组成耦合效应，成为智能化采煤工作面液压控制支撑架选型特征的主要参考因素[6-10]。

1 地质状况

曹家滩智能化矿井园区直属于陕西煤业股份有限责任公司，身处煤炭基地榆林地区，是陕煤集团在陕北能源基地建立的新时代智能化采煤工业园区，立足于智能型采矿场建造设计、智能园区建设及探矿，煤炭采掘作业面运用大批现代化科技大中型机器设备，涵括智能一体化掘锚机器、采煤工作面无线数据传输机器、智能化系统自动煤矿开采作业面仪器等等。高科技的煤炭能源仪器的运用让发掘面的安排横截面积极大扩大，曹家滩智能化矿井原煤储存共计11 层采掘，初期设计3 层开采使用，现阶段采矿场建设的主采煤层为2-2 煤，作为曹家滩智能化矿井园区首支综合挖掘放顶煤开采的122109 作业面建设在12 盘区2-2 煤开扩运输巷的西北侧，可开采2-2 煤巷。采区内土层无岩层出露，绝大多数被风流沙层覆盖，地表地貌特征为中间高两边低，自东向西走向。作业面地表地貌特点：南、北侧地下赋存未开采的实体煤层，智能化工作面建设位于采空区西边地界边缘区域，运输顺槽建于12盘区系统大巷的保护煤层区域以内。智能工作面初采安装宽度260 m，建设使用回采长度6004 m，回采期为17.9 个月。作业面煤系地层沉积环境简易，智能工作面建设开采煤层均厚11.8 m，煤层倾斜角度0.4°。智能工作面安装建设距离地表平均距离318 m。此类地质特征属于陕北能源地区典型受浅埋煤层开采扰动的长距离智能工作面建设。

122109 工作面顶岩性主要是表面层粉砂砾岩、细粒砂砾岩，根据地质资料显示还伴随有中层厚泥质砂岩，主要赋存顶岩性，以厚层节理不变化的、结构均质的、不同粒径的砾岩为主要岩石特性，伪顶岩性主要是泥质粉砂岩交错层。煤系地层基顶、板顶均属易软化的中硬类岩块。煤系地层底部主要构成为不同粒径的泥质粉砂岩交错层重叠累积的软地层。

2 液压支架选型特征

2.1 支架工作阻力模型建立

智能采矿场建设使用液压支架开采高度高，等效荷载的直接顶垂直距离伴随波动增加，当等效荷载工作面壁厚与开采高度比例关系变小且填充情况一样的状况下，由于老顶上的关键岩层发生回转变形破坏且变形量急剧增大，此时的板顶构造主要以“高位台阶岩梁”构造为主。如图1。

图1 “高位台阶岩梁”结构模型

采高条件较大的情况下等效荷载直接顶岩层发生变形破坏，液压支架的工作阻力计算模型如图2。

图2 等效直接顶支架工作阻力计算模型

等效荷载的直接顶岩层的自身载荷：

式中：B为支撑架间距；lk为液压支架支护空间宽度；γ为上覆岩层均容重。

上覆岩层等效载荷：

式中：KG为工作阻力传递系数；h1为上覆工作阻力层厚度。

工作阻力传递系数：

式中：Kt为时间传递系数；Kr 为岩性传递系数；φ为内摩擦角；λ为侧向应力集中系数。

将计算式（1）～（3）代入计算模型利用数学解析法可得：当老顶为“高位台阶岩梁”结构时支架工作阻力

煤矿122109 作业面老顶重要层壁厚为h=21.5 m，现场实测智能工作面采动影响下首采矿压显现推进距离157.8 m 左右，周期观测得到矿压震动的平均推采距离20.5 m，计算得出老顶岩梁断裂距离l=20.5 m，载荷层壁厚为h1=7.65 m。等同荷载的直接顶岩层厚度Σhi=7.65 m，上覆岩层平均容重γ=24 kN/m3，液压支架开采高度m=11.8 m。等同荷载的直接顶岩石受力变形极限破坏角β=45°，老顶岩层回转变形角度θ1=10°。支撑架间距B=2.05 m，液压支架支护空间宽度lk=6.983 m。根据场地实际测试KG=0.4，碎胀因子取Kp=1.3 运算液压支撑架来压工作时作业反作用力。

根据浅埋煤层理论研究条件下作业面采动影响的主要岩层为“高位台阶岩梁”构造时，由式（4）代入地质参数及计算数值，计算可得到支撑架的工作反作用力Fzj=19 193.9 kN。

2.2 支架类型结构参数选定

将曹家滩122109 智能采矿场的实际地质探查数据代入作业面计算公式，可以得到支撑架的工作反作用力。考虑到智能工作面的建设需要，研究使用ZFY21000/34/63D 型两柱掩护式放顶煤采煤方法液压支撑架，关键的主要性能参数见表1。

表1 ZFY21000/34/63D 型放顶煤液压支架主要性能参数

2.3 支架结构特征

曹家滩122109 智能采矿场建设使用的两柱掩护式放顶煤液压支撑架结构特征如图3。

图3 ZFY21000/34/63D 型放顶煤液压支架结构

1）埋深较浅煤层由于设计使用液压支架的开采高度较高，所以采后矿场压力变化活动明显，出于快速地操控梁板，运用核心距为2050 mm 的液控支撑架，核定正常工作时极限反作用力为21 000 kN，突出采用增加液控支撑架的缸壁壁厚，使用特殊加工的螺栓构件来进行缸体各部位连接工作。考虑到是较长操作时限应对液压支撑架的结构构件强度和安全保障整体性能标准非常高。

2）在保障液压支撑架的运用能力必要条件下，提升前后支撑柱、后排座的连接销轴，缩短连接臂的实际长度，前柱顶部顶柱铰常开触点向前推，转变架前梁受力特点，尽最大可能避免倒头。

3）增加两侧支撑柱距离，增加了巡视检查操作作业余地，极大提高了整体安全性。

3 支架使用性特征研究

曹家滩122109 智能采矿场通过采集27 号、57号、77 号、97 号、127 号支架工作时的性能参数来研究分析液控支撑架的适用性。

支撑架比较科学的作业反作用力轮廓曲线为正态分布。按每一个区间间距为1000 kN 区分成区间统计分析，再运算支撑架工作反作用力在各区间段占的百分比，绘出各架诸多区间的百分比的平均数值计算数据如图4 所示。支撑架作业反作用力很多正态分布在8000～16 000 kN 区域内，总占比超出了90%，约占支撑架额定工作阻力的38%～76%，证明支撑架作业阻力有空间，符合综采工作面控顶标准。自矿井122109 工作面回采作业到目前为止，早已推采5300 m，日推进10 m/d，液压支撑架设备的运行状态非常好，支撑架构造完好，达到预想效果。

图4 支架工作阻力分布曲线图

4 结语

1）借助相关研究获得老顶“高位台阶岩梁”构造下浅埋煤层厚度大采高长距离作业面顶层支撑架作业反作用力计算方法，并参照场地地质环境对支撑架完成设备的选型设计。

2）依据长距离工作面支架使用时限较长的特征，在适应支架支护机器性能的情形下，对支撑架各部分特殊构件段进行特定判断增强设计，解决了采煤工作面支护场景关键问题。

3）该液压支撑架的作业反作用力换算公式和支撑架设备的选型结构特点对榆林采矿点相类似物探环境下工作面和智能矿井建设提供学习和借鉴作用。