申玉明，武晉飛，楊皓博，李 凡

（陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500）

引言

在工作面回采中，液壓支架控制工作面頂板下沉，保證工作面安全回采[1]。為提高經(jīng)濟效益，維護作業(yè)空間與環(huán)境，防止工作面出現(xiàn)壓架等不良現(xiàn)象[2]，需結(jié)合工作面煤層條件選擇經(jīng)濟高效的合適的液壓支架，保證工作面安全開采。本文以小莊煤礦40309工作面為工程背景，理論計算校核選擇合理的液壓支架。

1 工程背景

1.1 工程概況

40309工作面位于三盤區(qū)，埋深范圍531~731 m，設(shè)計開采4號煤層，煤層均厚23.5 m，煤層傾角0°~5°；工作面寬度195 m，長度2 980 m。工作面沖擊危險綜合指數(shù)為0.571，判定40309工作面沖擊危險等級為中等，回采期間具有沖擊礦壓危險。40309工作面巷道頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)見表1。

表1 巷道頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)

1.2 工程問題

由工程概況可知，40309工作面直接頂與底板巖層穩(wěn)定性較差，且頂板厚度變化不均，工作面穩(wěn)定性大大降低[3]。因此，結(jié)合工作面煤層賦存條件、開采方式并通過理論計算確定適應(yīng)于沖擊傾向性工作面的液壓支架來保證工作面安全回采。

2 液壓支架選型

2.1 選取支架類型

40309綜放工作面采用后退式走向長壁綜合機械化放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。煤層開采平均厚度15.2 m，其中割煤高度3.8 m，放煤厚度平均11.4 m，采放比為1∶3。因此，40309綜采工作面采用支撐掩護式放頂煤液壓支架支護工作面頂板。

2.2 計算支架高度

液壓支架的高度范圍由式（1）（2）計算。

式中：Mmax為煤層最大采高，3.8 m；Mmin為煤層最小采高，2.5 m；a為偽頂冒落后支架所需的支撐高度補償量，0.2 m；s為頂板最大下沉量，0.1 m；b為支架卸載前移時立柱伸縮余量，0.1 m；c為支架頂梁上存留的浮煤和碎矸石厚煤，0.1 m。代入數(shù)據(jù)，計算得液壓支架高度在2.2~4.0 m，

2.3 確定液壓支架型號與技術(shù)參數(shù)

綜合考慮工作面選取ZF14000/21/40D型放頂煤液壓支架。ZF14000/21/40D型放頂煤液壓支架結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 ZF14000/21/40D型放頂煤液壓支架結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，ZF14000/21/40D型放頂煤液壓支架的金屬部件有前梁、護幫板、伸縮梁、頂梁、頂梁側(cè)護板、掩護梁側(cè)護板、前后連桿、底座、尾梁、插板等[4]。頂梁能有效支撐破碎頂板，側(cè)護裝置能有效控制破碎頂板，保障沖擊礦壓影響下工作面頂板的穩(wěn)定性[5]。

ZF14000/21/40D型放頂煤液壓的主要技術(shù)參數(shù)如下：工作阻力為14 000 kN；支架高度2.1~4.0 m；支護強度為1.59~1.61 MPa；支架寬度1.43~1.6 m；底座前端對底板比壓2.2~3.0 MPa；支架中心距1.5 m；移架步距0.8 m；支架初撐力12 040 kN；采用電液控制。ZF14000/21/40D型放頂煤液壓支架工作阻力大，能夠有效地控制頂板下沉，其較強的穩(wěn)定性和抗扭性能，可以有效防治沖擊礦壓對工作面的影響。

3 液壓支架強度校核

3.1 強度校核

支架支護強度可根據(jù)需要支護的頂板載荷驗算，經(jīng)驗公式校核如式（3）：

式中：P為頂板載荷（綜采工作面額定支護強度），MPa；h為最大采高，3.8 m；γ為頂板巖石容重，2.5 kN/m3。代入數(shù)據(jù)，計算得支架支護強度為0.746 MPa。ZF14000/21/40D型放頂煤液壓支護強度為1.59~1.61 MPa，滿足支護強度要求。

3.2 工作阻力校核

支架工作阻力可由式（4）：

式中：P為綜采工作面額定支護強度，0.746 MPa；L為支架中心距，1.5 m；Lk為梁端距，0.4 m；Ld為頂梁長度，四柱式取5.0 m。代入計算得支架工作阻力應(yīng)大于6 042.6 kN，ZF14000/21/40D型放頂煤液壓支架工作阻力14 000 kN遠(yuǎn)大于理論計算所要求的6 042.6 kN。

3.3 初撐力校核

初撐力強度一般為工作阻力的70%~80%[5]，從安全角度考慮，40309沖擊傾向性工作面支架的初撐力應(yīng)大于工作阻力的85%，ZF14000/21/40D型液壓支架初撐力（12 040 kN）滿足初撐力要求。

3.4 底板比壓校核

支架對底板的最大比壓是衡量支架穩(wěn)定性的重要參數(shù)，支架對底板的最大比壓qm校核公式如式（6）：

式中：q為實測底板的最小抗壓強度，13.2 MPa；K1為底板載荷集中系數(shù)，取3；K2為灑水影響系數(shù)，取1.4；qm為支架對底板的最大比壓，MPa。代入計算得支架對底板的最大比壓應(yīng)小于3.14 MPa，ZF14000/21/40D型放頂煤液壓支架最大比壓3.0 MPa，滿足支架對底板的最大比壓要求。

通過校核可知，ZF14000/21/40D型中部液壓支架滿足40309工作面回采時的強度、工作阻力等要求，可保證工作面安全回采。

4 液壓支架應(yīng)用

4.1 工作面液壓支架支護方案

40309沖擊傾向性工作面布置123架中心距為1.5m的ZF14000/21/40D型支架，機頭安設(shè)4架中心距為1.5 m的ZFG14000/24/40D過渡液壓支架，機尾安設(shè)4架中心距為1.5 m的ZFG14000/24/40D過渡液壓支架，端頭安設(shè)2架ZFT32000/21/42液壓支架。

4.2 液壓支架工作阻力監(jiān)測

為觀測液壓支架在40309工作面的應(yīng)用效果，對中部45號液壓支架所受載荷進行監(jiān)測，得到中部45號液壓支架載荷監(jiān)測圖（圖2）；每間隔15個支架對支架的所受的工作阻力進行監(jiān)測，取各周期來壓期間支架最大支護阻力值得到40309工作面支架支護阻力表，見表2。

圖2 45號液壓支架載荷監(jiān)測圖

表2 40309工作面支架支護阻力表

由圖2可知，來壓期間45號液壓支架最大載荷在26~30 MPa之間，液壓支架最大工作阻力均小于額定工作阻力的75%；保證工作面安全回采。

40309工作面初次來壓步距為33 m，工作面支架最大工作阻力為9 831 kN，為支架額定工作阻力14 000 kN的70.2%。由表2可知，40309工作面五次周期來壓步距均在23.2~25.6 m范圍內(nèi)。其中，第四次周期來壓步距與支架工作阻力最大，步距為25.6 m，支架工作阻力為9 760 kN。周期來壓期間最大工作阻力為支架額定工作阻力14 000 kN的69.7%。

5 結(jié)論

1）基于礦壓理論計算選取的ZF14000/21/40D型液壓支架可有效防治工作面沖擊礦壓。

2）通過經(jīng)驗公式的校核可知設(shè)計的液壓支架支護方案滿足工作面安全回采要求。

3）40309工作面支架的最大工作阻力在額定工作阻力的75%以內(nèi)，保障工作面安全回采。