坚硬顶板液压支架高度确定及工作阻力计算

２０１４年第３９卷第５期　ＶｏＩ．３９　Ｎｏ．５　能源技术与管理　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ￣ａｎｄ　Ｍａｎ￣ｅｍｅｎｔ　１０７　ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７２－９９４３．２０１４．０５．Ｏ４１　坚硬顶扳液压支架高度确定及工Ｔ隹阻力计算　王成真　（晋城煤业集团生产技术处，山西晋城０４８００６）　［摘要】液压支架高度和工作阻力是综采工作面支架选型最重要的２个指标参数。为了确　定成庄煤矿１５　煤层开采液压支架的高度和工作阻力，依据该煤层地质钻孔中显示　的煤层厚度绘制了１５　煤层等厚线图，并分盘区计算出不同煤层厚度范围相应的面　积，根据煤层厚度的集中度确定了液压支架的高度。运用采高容重法、顶板结构法　及行业标准计算方法，对该矿坚硬顶板条件下液压支架的工作阻力进行了计算。通　过与顶板条件相似的凤凰山矿１５　煤层工作面开采工程类比可知，成庄矿ｌ５　煤层　开采液压支架工作阻力选择不低于１２　０００　ｋＮ是合理的。　［关键词］坚硬顶板；液压支架高度；工作阻力；工程类比　［中图分类号］ＴＤ３５５￣．３［文献标识码］Ｂ［文章编号］１６７２＿９９４３（２０１４）０５　１０７一Ｏ３　层厚　／ｍ　０引　言　液压支架是综合机械化采煤工作面不可缺少　柱状　ｒ　Ｔ＿ｌ１　编号　岩石名称　ＫＲ　粉砂岩　１９．２２　８．０８　４．９３　６．４４　６．１２　４．４２　＼　１．６４　泥岩、粉砂岩　中粒砂岩　粉砂岩及泥岩　３　煤　泥岩及中砂岩　，　Ｋ　粉砂岩、细砂岩　的配套液压动力设备。支架高度和工作阻力是支　架选型最重要的２个指标参数，对支架的宽度、重　量、油缸直径等参数起着决定性作用，也是工作面　其它设备配套选型的重要依据＿ｌ－３］。合理的支架高　度能够最大化地采出地下煤炭资源，且能使工作　面快速推进，是工作面高效生产的关键因素；合理　的支架工作阻力能够有效地控制矿山压力，确保　二　／　＼　泥岩　０．７８　８－３３　２．４４　Ｏ．３２　１５．０７　Ｏ－３９　６．２０　１．０９　＼　５　粉砂岩、细砂岩　粉砂岩、泥岩　Ｋ　石灰岩　煤　泥岩、粉砂岩、细砂岩　Ｋ５　粉砂岩、中砂岩　采场作业人员和设备的安全，是工作面顶板控制　和安全生产的最重要因素。现在，多数矿井工作面　采用全部垮落法处理采空区顶板，直接顶随采随　垮，液压支架的适应性较强，易于控制采场围岩应　力。而在一些矿区的煤层顶板，或某些矿区的个别　煤层顶板较坚硬，直接顶即为基本顶，采空区顶板　不易垮落，工作面支架所承受的围岩应力增大，易　ｉ、　８　煤　／　、　９＃　煤　泥岩、粉砂岩、细砂岩　’／　１３　煤及泥岩　１６．４５　０．５０　２．５３　｜　Ｋ４　石灰岩　３Ｉ３９　１　Ｌｒ』—Ｔ』下．Ｌ　Ｋ３　石灰岩　０．４３　７　３．６８　ｌ　煤　ｌ５　煤　出现采空区顶板大面积垮塌及支架压架现象。可　见，在液压支架选型时，特别是在坚硬顶板条件　下，研究液压支架的高度和工作阻力，对于煤矿综　６．５５　／　ｆ　Ｉ　Ｉ　、　泥岩、粉砂岩　１０．４４　ｌ　Ｉ　Ｋ２　石灰岩　９．７６　４．泥岩、粉砂岩　、　／　采工作面安全高效开采具有重要意义。　４１　Ｋ１　细砂岩　１　矿井煤层顶底板概况　成庄煤矿是晋城煤业集团的主力生产矿井之　一图１矿井地质柱状图　成庄矿主要可采煤层具体情况为：①３　煤层：　，生产能力为８３０万　。井田内含煤地层中可　３　煤层位于山西组下部，沉积稳定，上距Ｋ　底界　３２．２３　ｍ，下距Ｋ７顶面６．１２　ｍ。厚４．３０～７．６８　ｍ，平　均６．４４　ｍ，硬度为０．２—０．４。结构简单，含夹矸０—　４层，一般１　３层，夹矸厚度不大，单层最大厚度　０．３５　ｍ，一般小于Ｏ．２０　ｍ。煤层顶板多为粉砂岩，　采及局部可采煤层有３层，煤层编号自上而下为　３　、９　、１５＂，可采煤层平均厚１２．１５　ｍ。成庄煤矿矿　井地质柱状图如图１所示。　２０１４年１０月　１０８　王成真坚硬顶板液压支架高度确定及工作阻力计算　Ｆｅｂ．，２０１４　底板多为泥岩，少数为粉砂岩，为全区稳定的主要　表１　成庄矿１　５　煤层各盘区煤层厚度分布情况　可采煤层，也是矿井目前的开采煤层。②９　煤层：　位于太原组中部，下距Ｋ　灰岩１９．４８　ｉｎ，距１５　煤　４０．２９　１１１＿，沉积较稳定。厚０．１５～２．００　ｉｎ，平均厚　１．０９　ｍ，含矸０～２层，结构简单。顶板为粉砂岩，　底板为粉砂岩，局部为泥岩，为较稳定的大部分可　采煤层。③ｌ５　煤层：位于太原组底部，下距Ｋ。奥　灰岩顶面９．７６　ｍ。厚１．２９—５．６３　ｉｎ，平均３．６８　Ｉ１１。　结构复杂，含夹矸０～７层，一般１～４层。顶板为　从表１可看出，成庄矿１５　煤层中，多数区域　Ｋ　石灰岩，个别地段为泥岩；底板为泥岩，局部为　粉砂岩。为全区稳定的主要可采煤层。　成庄矿分５个盘区进行开拓。目前，该矿３　煤层一盘区、二盘区已开采完毕，三盘区即将开采　完毕，主采四盘区和五盘区。现ｌ５　煤层一盘区开　拓延伸，首采工作面即将圈定，需要对首采工作面　的开采设备进行选型配套，而液压支架的高度和　工作阻力必须优先确定，进而对其它开采设备进　行配套选型。　成庄矿１５　煤层顶板为石灰岩（Ｋ　），厚６．４９～　１２．９２　ＩＴＩ，平均ｌ０．４４　１１１；抗压强度１１～７４．９　ＭＰａ，　平均３４．９３　ＭＰａ；抗拉强度０．９５～５．０９　ＭＰａ，平均　２．２７　ＭＰａ。参照开采条件相似且相邻的凤凰山矿、　寺河矿二号井ｌ５　煤层工作面的相关参数，基本　顶的初次来压步距平均为３４．５　１ＴＩ，周期来压步距　平均为１５．８　ｎｌ。底板岩石以泥岩为主，局部为粉砂　岩或细砂岩，一般厚２．２～４．５　ＩＴＩ，平均３．８　１ＴＩ，抗压　强度４．６～１９．６　ＭＰａ，平均９．６７　ＭＰａ，抗拉强度　０．７１—１．２７　ＭＰａ，平均１．０１　ＭＰａ。　根据文献［２，３］中顶底板分类有关内容，该矿　ｌ５　煤层直接顶为Ⅲ稳定顶板或Ⅳ类坚硬顶板，且　以Ⅳ类坚硬顶板为主，基本顶（直接顶）分级应为　Ⅲ级来压强烈顶板，底板属于Ⅱ类松软或Ⅲ较软　类型。　２支架高度确定及架型选择　２．１　液压支架高度确定　为了掌握成庄矿ｌ５　煤层的厚度情况，在一　盘区施工３２个地质钻孔，二盘区施工２４个地质　钻孔，其它盘区施工了２３个地质钻孔。根据地质　钻孔中显示的煤层厚度绘制出ｌ５　煤层等厚线　图，对矿井区域内各盘区ｌ５　煤层的厚度做了具　体的划分，并计算出相应的面积。　成庄矿１５　煤层各盘区煤层厚度分布情况如　表１所示。　煤厚集中在２．５—４　ｉｎ，从一盘区至其它盘区，４　ｉｎ　以上煤厚的区域逐渐增多。各盘区煤厚２．５～５　Ｉｎ　所占的比例均在９０％左右，二盘区２．５～５　Ｉｎ煤厚　所占比例高达９７，９４％。因此，可以将支架最低高　度定为２．４　ＩＴＩ，最大高度定为４．５　ｍ，即支架高度　２．４～４．５　ｎｌ，从而可以大大提高支架对煤层厚度的　适应性，也能大大提高煤炭资源的回收率。　２．２支架架型选择　根据１５　煤层围岩可控程度选择支架架型。　按照采煤工作面围岩可控程度分组，成庄矿１５　煤层围岩属于较难控围岩或难控围岩类型，因此，　应该选择四柱支撑掩护式液压支架。另外，ｌ５　煤　层≥３．５　ｍ厚区域也较大，支架选型时，宽度及控　顶距参数设计应该参照大采高工作面支架参数。　选择四柱支撑掩护式的优点在于，在回采过　程中，支架能有效抵御由采空区坚硬顶板垮落的　大块矸石对支架尾梁的巨大冲击力，避免出现支　架仰俯角、歪斜度过大现象，杜绝倒架事故，且四　柱支撑掩护式支架能提供足够大的切顶力。另外，　晋煤集团其它矿井１５　煤层工作面开采均采用四　柱支撑掩护式支架，具有现场实践经验。　３支架工作阻力计算　３．１采高容重法　按采高容重法经验公式计算，要求支架能够　支撑４—８倍采高的岩石质量，则支架的实际工作　阻力公式为：　Ｆ＝８ＭＲｇＢｌｘｃｏｓａ　式中：　为采高，取４．５　ｍ；Ｒ为容重，取２．５×　１０。ｋｇ／ｍ　；ｇ为重力加速度，取９．８　Ｎ／ｋｇ；Ｂ为支架　中心距，取１．７５　ｍ；　为支架最大控顶距，取５．９　Ｉｎ；　仅为煤层倾角，取０。　经计算，支架实际工作阻力为９　１０６．６５　ｋＮ。　在实际生产过程中，支架的支撑效率往往不　能达到１００％，因此，理论工作阻力应大于实际所　２０１４年第３９卷第５期　Ｖ０１．３９　Ｎｏ．５　能源技术与管理　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　１　０９　需的阻力，即：　Ｆ＝Ｆ／Ｋ．　式中　为支架的支撑效率，支撑掩护式支架　取０．８５（支掩式掩护支架　：０．６５—０．７５；支顶式　掩护支架　＝０．８　０．９；支撑掩护式支架　＝０．８～　０．９５；支撑式支架　＝０．９～０．９６）。　经计算，支架的理论工作阻力为１０　７１３．７１　ｋＮ。　３．２顶板结构法　按顶板结构支架阻力公式计算，基本顶初次　来压时支架工作阻力公式为：　Ｆ＝ＢｌＫ（ｍｚｇＲｚ＋　）　２，ＬＫ　式中：ｍ　为基本顶下方垮落岩层的厚度，ｍ；　为基本顶下方垮落岩层的容重，ｋ＃ｍ　；ｍＥ为基　本顶岩层的厚度，ｍ；Ｒ　为基本顶岩层的容重ｋｇ／ｍ。；　为基本顶初次垮落步距，１１１。　成庄矿１５　煤层上方直接赋存６．４９～ｌ２．９２　ｍ　（平均１０．４４　ｍ）的Ｋ　石灰岩坚硬顶板，即认为是　基本顶。因此，ｍｚ＝０；ｍＥ取最大厚度，即ｍＥ＝　１２．９２　ｍ；Ｒ￣２．５×１０。ｋｇ／ｍ　；Ｃ￣＝３４．５　ｍ（凤凰山矿、　寺河矿二号井１５　煤顶板实测）。　经计算，基本顶初次垮落时，支架工作阻力为　９　５５５．５６　ｋＮ。考虑到支架支撑效率：Ｆ理＝Ｆ／Ｋ．　经计算，基本顶初次垮落时支架的理论工作　阻力为１１　２４１．８４　ｋＮ。　３．３行业标准计算　根据文献［３］行业标准，Ｉ　Ⅳ级基本顶额定　支护强度下限计算式为：　７２．３Ｍ＋４．５　Ｃｏ＋７８．９／Ｋ一１０．２４Ｎ一６２．１　式中：Ⅳ为直接顶充填系数，本验算取０；ｃ。　为基本顶周期垮落步距，１５．８　ｍ；其他符号同上。　经计算，基本顶额定支护强度下限为　７９９．８６　ｋＮ／ｍ　。　液压支架工作阻力计算式为：　Ｐ（Ｂ　Ｚ　）　经计算，液压支架工作面阻力为９　７１５．９５　ｋＮ。　综上计算分析可得，成庄矿ｌ５　煤层开采液　压支架工作阻力应不得低于１２　０００　ｋＮ。　４工程类比　类似顶板条件下，凤凰山矿ｌ５　煤层ＸＶ１３０４　工作面选用ＺＺ８０００／１７／３２型支撑掩护式支架，最　大控顶距　风＝５．７６　ｍ，支架中心距　凤＝１．５　ｍ，采　高Ｍ风＝２．４　ＩＩ＇１。经计算，基本顶额定支护强度液压　支架工作阻力Ｆ凤＝６　４７４．７６　ｋＮ。运用工程类比法，　成庄矿１５　煤工作面支架阻力Ｆ＝１２　００４．７１　ｋＮ。　另外，根据文献［４］，凤凰山矿ＸＶ１３０４工作　面基本顶初次垮落期间，液压支架工作阻力多数　在４　０００～７　０００　ｋＮ之间，最高达到７　４５７．５　ｋＮ。此　外，支架安全阀整定值在７　０００　ｋＮ左右，回采期　间部分支架频繁卸载，支架末阻力都保持在较高　水平。凤凰山矿１５　煤层ＸＶ１３０４工作面支架工作　阻力理论计算为６４７４．７６ｋＮ，实测最高７４５７．５ｋＮ，　成庄矿１５　煤层工作面支架工作阻力理论计算需　９　７１５．９５　ｋＮ，则参照凤凰山矿开采实践，预计成庄　矿１５　煤层工作面液压支架工作阻力最高　＝　１１　１９０．６４　ｋＮ。　通过工程类比可见，成庄矿ｌ５　煤层开采液　压支架工作阻力选择不低于１２　０００　ｋＮ是合理　的。　５结语　成庄矿１５　煤层开拓延伸，一盘区首采工作　面即将圈定，工作面液压支架高度和工作面阻力　两个重要参数的确定迫在眉睫。通过对１５　煤层　施工地质钻孔，根据煤层的赋存情况，确定了支架　最低高度２．４　ｍ，最大高度４．５　ｍ。充分考虑该煤层　顶板为稳定的坚硬顶板特性，通过运用采高容重　法、顶板结构法及行业标准计算方法对液压支架　的工作阻力进行计算，可知该矿１５　煤层开采支　架工作阻力应不低于１２　０００　ｋＮ。最后通过与开采　条件相似的凤凰山矿１５　煤层工作面开采工程类　比验证，得知所选取的支架工作阻力是合理的。　［参考文献］　［１］宋德军．“两硬”条件大采高液压支架工作面阻力计　算［Ｊ］．太原理工大学学报，２００６，３７（５）：５６８—５７１．　［２］王高利，涂敏．厚硬顶板综采工作面支架合理工作阻　力的确定［Ｊ］．煤炭技术，２００８，２７（１１：６０—６２．　［３］ＭＴ　５５４—１９９６，缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类［Ｓ］．　［４］山西晋城无烟煤矿业集团有限公司．凤凰山矿１５＃煤　南翼首采工作面‘ＸＶ１３０４’矿压显现规律分析研　究［Ｒ］．晋城：山西晋城无烟煤矿业集团有限公司，　２０１２．　［作者简介］　王成真（１９８５一），男，采矿工程硕士研究生，现工作于　山西晋城煤业集团生产技术处，研究方向为三下采煤及矿　山压力控制。　［收稿日期：２０１４—０５—０６］