宋 晓

(山西西山晋兴能源公司 斜沟煤矿,山西 吕梁 033600)

液压支架作为维护及承载工作面开采空间的重要支撑体，是综采工作面极其核心的技术装备，对保证工作面高效安全开采具有重要意义[1-3]。随着国内煤炭行业优势产能不断释放，资源丰富的矿山充分发挥主观能动性，树立高产高效的发展理念，同时紧跟科学技术发展脚步，全力优化现有煤炭生产相关设备，综采工作面液压支架也得到全面发展。根据繁杂多变的地质条件，国内外高等院校及科研机构研制出针对性很强的各类液压支架[4]。因此，根据相关优秀工程专家经验确定了斜沟煤矿23110(首个低位放顶煤)工作面支架选型。

1 工作面概况

23110工作面位于21采区南翼中东部，东侧为23112采空区(保护煤柱宽度14.3～19.7 m)，南侧、西侧为实煤区。上部为8号煤层18110采空区，18108工作面(正在回采)，层间距55.5～57 m。本工作面整体煤层产状为一走向近南北、倾向西的单斜构造，倾角6.3～8.7°，平均7.9°。煤层厚度为13.70～15.30 m，平均厚度为14.53 m。工作面可采走向长度为2 811.6 m，倾斜长度为242.45 m。工作面采高为3.8 m，放煤高度10.73 m，采放比约为1∶2.8，按一刀一放的正规循环作业，循环进度、放煤步距均为0.8 m，顶板采用全部垮落法管理采空区顶板。煤层顶底板岩性见表1。

2 液压支架选型分析与支护强度计算

2.1 架型分析

目前国内外液压支架种类繁多，根据架型结构与围岩关系、煤层倾角、稳定机构、控制原理等分类，每一个分类标准均有不同型号的支架。由于斜沟煤矿属于特厚煤层，结合相似矿井的应用实践，斜沟煤矿采用放顶煤工艺回采。液压支架参考国内内蒙地区特厚煤层矿井，确定为四柱支撑掩护式低位放顶煤支架。该型支架功能相对完善，综合了国内外近几年放顶煤液压支架的优势,支架参数不断优化,结构不断改进,与同类型支架相比,具有高适应性、节省空间、安全系数高、支护强度大、操作灵活、反应快等特点[5-7]。

表1 斜沟煤矿23110工作面煤层顶底板岩性

2.2 合理的支护强度计算

根据以下两种计算方法，选取最大值即为工作面支架的工作阻力。

1) 根据断裂角确定放顶煤支架支护强度。

qz=k(γ1h1+γ2H)

=1.8×(14.1×10.73+25×11.23)

=777.68 kN/m2

式中：qz为支架的动载支护强度；k为动载备用系数，Ⅱ级以上基本顶，一般为1.5～2.0,取1.8。γ1为顶煤的容重，取14.1 kN/m3；γ2为顶板岩石的容重，取25 kN/m3；h1为顶煤厚度，取10.73 m；H为对支架有直接影响的岩层厚度。

H=(L+h1/tana)/tanθ

=(5.595+10.73/tan88°)×tan62°

≈11.23 m；

式中：L为有效控顶距，取5.595 m；h1为顶煤厚度，取10.73 m；α为顶煤断裂角，一般为70～120°,取88°；θ为顶板断裂角，一般为60～65°,取62°；

P=qz(Lk+LD)B/ηs

=777.68×(0.460+5.595)×1.75/0.75

≈10 987.32 kN

式中：P为支架的工作阻力，kN；Lk为梁端距，0.460 m；LD为顶梁长度，5.595 m；B为支架中心距，1.75 m；ηs为支架的支护效率，75%.

2) 根据放顶煤工作面现场实测数据的回归公式计算:

Pmax=1 939+2.1h+471f+155/Md

=1 939+2.1×486.5+471×3+155/3.32

≈5 137.14 kN

式中：Pmax为工作阻力，kN；h为煤层埋深，取850 m；f为煤的硬度系数，取3；Md为顶煤厚度，取10.73 m；

则支架额定支护阻力P为：

P=Pmax×K(安全系数K为1.2～1.35)

=5 137.14×1.35

=6 935.41 kN

选取上述两种计算方式结果的最大值，即10 987.32 kN。额定工作阻力的60%～80%是切实有效的支架工作阻力，ZF15000/26/40型可达到标准，支架工作阻力是额定阻力的73%，使用该型支撑掩护式低位放顶煤液压支架科学合理。考虑到工作面两端头受刮板输送机机头、机尾限制，同时根据《煤矿安全规程》规定，工作面两端头安全出口必不可少，因此两端头各配1组过渡支架。参考中间支架选型,ZFG15000/26/40型过渡支架符合要求。

2.3 工作面胶带巷端头支架的承载验算

工作面胶带巷端头支架的承载需求T用下式计算：

T=PLB

=0.6×13.4×1.77

=14 230.8 kN。

式中：P为端头支架的支护强度，参考相似矿井生产实际，ZT26000/28/40型端头支架的支护强度为0.6 MPa；L为顶梁长度，该型支架为中置式两架一组支架，顶梁为整体顶梁，结构为左(右)前中后顶梁，整体长度为13.4 m；B为顶梁宽度，左(右)前顶梁均为850 mm，左(右)中顶梁均为865 mm，左(右)后顶梁均为885 mm，此处顶梁宽度按后顶梁宽度选取验算，则整体顶梁宽度为1 770 mm。

根据计算结果验证，ZT26000/28/40型满足工作面胶带巷端头支架的承载需求。

3 在线监测分析

在综放工作面安设矿压在线监测系统，实时监测液压支架阻力动态变化，并同步分析处理数据。具体操作为，在工作面每隔10架安装1台无线监测分站，通过信号线传输到地面计算机上。目前工作已推进400 m，推采速度平均6.4 m/d，根据已传输的处理结果分析得出初次来压步距48 m，最大平均支护强度1 780.6 kN/m2；周期来压步距为15.2～20.2 m，平均17.7 m，最大平均支护强度1 602.5 kN/m2。现选取回采至200～400 m之间30号支架、80号支架的监测数据，见图1。回采期间支架应力主要集中于20～35 MPa，来压期间立柱最大应力均超过 42.8 MPa(安全阀开启压力) ，此外回采期间未出现顶板应力过大而压死支架的现象。

图1 工作面支架应力曲线

4 结 语

本文基于斜沟煤矿23110综放工作面实际煤层赋存情况及开采技术条件，研究首个低位放顶煤工作面选用支架步骤与方法，包括首选、计算和验证的不同路径。通过矿压在线监测系统，全面科学分析工作面压力分布状况，并验证了选取支架的可靠性，实现了液压支架性能最大利用率，达到了放顶煤工作面安全高效的目标。