8226 综采工作面液压支架选型与效果研究

魏武豪

（晋能控股煤业集团塔山煤矿，山西 大同 037001）

1 工程概况

晋能控股煤业集团塔山煤矿位于山西省大同煤田东翼中东部边缘地带，井田面积170.91 km2，矿井设计生产能力为15.0 Mt/a，矿井服务年限140 a。8226 工作面位于二盘区西南部，工作面埋深479 m，标高1414～1562 m，倾向长度275.3 m，走向长度为2 020.5 m，平均煤层厚14.85 m，平均煤层倾角2°。煤层结构复杂，煤层中含10～15 层夹矸，平均13 层，厚度1.96 m，单层厚度0.05～0.94 m，岩性为：岩浆岩、砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩、高岭岩，受煌斑岩侵入影响煤层上部大部变质、硅化。老顶为粗砂岩、中砂岩，平均厚度8.50 m；直接顶为泥岩、煤、炭质泥岩，平均厚度为7.63 m；直接底为高岭质泥岩、砂质泥岩、煤，平均厚度为4.45 m；老底为中砂岩、砾粗砂岩，平均厚度为26.30 m。

根据塔山煤矿已采多个工作面的开采成果，确定8226 工作面的主要开采设备为SL-500 型采煤机、PF6/1142 型前部刮板运输机、PF6/1542 型后部刮板运输机，工作面采高为3.8 m，采放比为1:2.91。根据地质资料计算，刀煤割煤量为1420 t，放煤量为3 655.2 t，生产能力满足要求。

2 液压支架选型设计[1-6]

2.1 架型分析

塔山煤矿8226 工作面平均煤层厚度达14.85 m，结合单一走向长壁后退式一次采全高低位放顶煤综合机械化开采工艺，确定选择四柱支撑掩护式低位放顶煤支架。

2.2 支架支护高度的确定

支架的高度主要包括最大结构高度和最小结构高度，必须适应煤层采高变化所要求的最大和最小支撑高度。支架高度由式（1）、式（2）进行计算：

式中：Hmax为支架最大结构高度，m；Mmax为煤层最大采高，取3.8 m；a为伪顶冒落后支架具有初撑力的补偿量，取0.3 m；Hmin为支架最小结构高度，m；Mmin为煤层最小采高，取3.6 m；s为顶板最大下沉量，取0.1 m；b为立柱最小可伸缩余量，取0.2 m；c为存留煤矸厚度，取0.1 m。代入数值计算得到最大结构高度Hmax为4.1 m；最小结构高度Hmin为3.2 m。

2.3 支架合理支护强度的确定

支架支护强度的计算如式（3）：

式中：qz为支架支护强度，MPa；k为动载备用系数，取1.2；γ1为顶煤容重，取14.5 kN/m3；h1为顶煤厚度，取13.01 m；γ2为顶板岩石容重，取25 kN/m3；H为影响支架岩层厚度，取18.2 m。代入数值计算得qz=1.2×（14.5×13.01+25×18.2）×10-3=0.772 MPa。

2.4 工作面支架阻力计算

（1）根据断裂角确定支架工作阻力，根据式（4）进行计算：

式中：P1为工作阻力，kN；qz为支护强度，kN/m2；Ld为最大控顶距，取7.175 m；B为支架中心距，取1.75 m；ηs为支架的支护效率，80%。数值计算得P1=772×7.175×1.75/0.8=12 122 kN。

（2）根据8226 面现场实测数据计算支架工作阻力，如式（5）所示：

P2=（1939+2.1h+471f+155/Md）·k

式中：P2为工作阻力，kN；h为煤层埋深，取479 m；f为煤的普氏硬度系数，取3；Md为顶煤厚度，取13.01 m；k为安全系数，取1.25。代入数值计算得P2=5 462.3 kN。

（3）一次采全高结果的80%计算工作阻力。

① 采用经验公式计算支护强度，如式（6）所示：

式 中：q1为 支 护 强 度，kN/m2；h为 采 厚，取16.81 m；γ为 容 重，取14.6 kN/m3；k为 上覆岩层厚度与采高比，取5。代入数值计算得q1=16.81×14.6×5=1 227.1 kN/m2。

② 采用岩石容重法计算支护强度，如式（7）所示：

式中：q2为支护强度，kN/m2；kd为动载系数，取1.4；M为一次采厚，取13.4 m；Kp为冒落带岩石碎胀系数；取1.35；γ为顶板岩石容重，取25 kN/m3。代入数值计算得q2=1.4×13.4/（1.35-1）×25=1340 kN/m2。

③ 采用临近工作面初次来压实测值确定支护强度q3。

根据在线矿压监测系统所得数据，支护强度q3为1105 kN/m2。

④ 可将支护强度换算为工作阻力，如式（8）所示：

式中：P3为工作阻力，kN；qmax为支护强度（取q1、q2、q3最大值），kN/m2；Ld为最大控顶距，取7.175 m；B为支架中心距，取1.75 m。代入数值计算得P3=1340×7.175×1.75×80%=13 460.3 kN。

（4）取（1）、（2）、（3）最大值为综放工作面支架工作阻力P。

通过计算，取P1、P2、P3中的最大值，因此8226 综采工作面支架工作阻力确定为13 460.3 kN。

通过以上计算分析，塔山煤矿8226 工作面确定选用ZF17000/27.5/42D 型支撑掩护式低位放顶煤液压支架是可行的，计算所需工作阻力为额定阻力的79.1%，能满足顶板控制的需要。

3 液压支架应用效果分析

3.1 支架阻力监测

为了确定ZF17000/27.5/42D 型支撑掩护式低位放顶煤液压支架的应用效果，对支架阻力进行监测。在8226 工作面上布置有KJ653 型煤矿顶板动态监测系统综采支架工作阻力监测子系统，进而可以实现对支架工作阻力的有效监测。支架工作阻力监测系统通过安装的压力分机对压力值进行采集，并将采集信息通过传输系统传递到地面控制中心，进而对数据进行处理和研究，实现对井下液压支架工作阻力的实时监控。

8226 工作面ZF17000/27.5/42D 型支架共布置159架，在10#、22#、34#、46#、58#、70#、82#、94#、106#、118#、130#、144#支架上共安装有14台压力分机，接入位置为支架的前柱、后柱、前梁油缸下腔。

未安装有综采支架工作阻力监测子系统的支架上让其与支架电液控系统连接，通过电液控系统的控制器的数显屏幕显示，进而可以实现对支架前柱、后柱、前梁油缸下腔的阻力变化情况进行有效监测。

3.2 监测结果分析

从支架工作阻力监测结果可知，工作面推进至15 m 时支架工作阻力最小，为11 584 kN；推进至155 m 时支架工作阻力最大，为13 219 kN；当继续加大推进开采距离后，支架工作阻力变大并逐渐稳定在13 650 kN 左右。从支架工作阻力监测结果表明：8226 工作面选用17 000 kN 的ZF17000/27.5/42D 型液压支架能满足开采要求。从开采实践结果证明，ZF17000/27.5/42D 型液压支架的应用，为实现塔山煤矿8226 工作面的高效安全开采奠定了基础。