薄煤層厚夾矸綜采工作面支架選擇及優(yōu)化

任武軍

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)毛則渠煤炭有限公司，山西 臨汾 042100）

1 概況

河南大裕溝礦一1煤層為薄煤層，平均厚度1.0m，中間存在夾矸，平均2.0m，為低瓦斯煤層，傾角較小僅有8°左右，中間夾矸將煤層分為上部0.4m、下部0.6m。煤層頂板為太原組L灰?guī)r，一般厚24m左右，底板為本溪組的鋁土礦或鋁土質(zhì)泥巖。如何對(duì)該煤層進(jìn)行安全、高效回采，其中主要問題之一就是針對(duì)該地質(zhì)狀況下的支架選擇及優(yōu)化。

2 現(xiàn)有開采技術(shù)的問題及新思路

大裕溝礦建井初期采用的回采方法為炮采一次采全高走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板，工作面頂板支護(hù)采用單體液壓支柱，三四排管理，密集支柱切頂。該回采方法和支護(hù)方式在生產(chǎn)過程中存在一系列問題：

（1）破落的煤和矸石需要進(jìn)行分撿，由于矸石占的比重大，矸中拾煤的工作量較大，回采效率很低；

（2）由于大量的矸石侵占了工作面的空間，大大減少了工作面的通風(fēng)空間，工作面的有害氣體不能及時(shí)散去，使工作面安全性大大降低；

（3）工作面總采高為3.0m，有中厚煤層特點(diǎn)，使用單體支柱進(jìn)行頂板支護(hù)的安全系數(shù)較低，在一定程度上影響工作面的安全高效生產(chǎn)。

鑒于國(guó)內(nèi)外薄煤層厚夾矸安全高效回采研究現(xiàn)狀，可實(shí)施綜合機(jī)械化開采[1-2]，即選用采煤機(jī)進(jìn)行破煤，液壓支架進(jìn)行支護(hù)，煤和矸石分別回采，先割中間夾矸，后割上下兩分層煤，最終可實(shí)現(xiàn)煤矸分運(yùn)，效率最高。

3 液壓支架選型及優(yōu)化

3.1 液壓支架支護(hù)強(qiáng)度理論計(jì)算

（1）載荷估算法：估算法認(rèn)為支架的合理工作阻力P應(yīng)能承受控頂區(qū)內(nèi)以及懸頂部分的全部直接頂載重Q1，還要承受當(dāng)工作面來壓時(shí)形成的附近載荷

式中：

hi-第i層直接頂厚度，m；

Li-控頂級(jí)懸頂距，m；

γi- 體積力，kN/m3。

又知M=3m，γ=27.6kN/m3

（2）基于頂板分類的支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算方法：根據(jù)《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》（MT/T 554-1994）附錄D“頂板分類對(duì)液壓支架額定支護(hù)強(qiáng)度的要求”[4]，以及該礦實(shí)際地質(zhì)資料，即一1煤老頂初次來壓當(dāng)量pc=810，屬于Ⅰ級(jí)頂板，基本頂來壓不明顯，采高3m時(shí)，可確定支架支護(hù)強(qiáng)度下限為：

（3）建立“支架-圍巖”相互作用關(guān)系的數(shù)值模擬分析：以該礦工作面為工程背景，模擬支架在不同工作阻力下，即0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1.0MPa，分析頂板下沉規(guī)律，進(jìn)而確定支架合適的支護(hù)強(qiáng)度。煤巖層物理力學(xué)參數(shù)表見表1。

圖1 A1～A5點(diǎn)下沉變化曲線

從數(shù)值模擬的結(jié)果（圖1和圖2為部分?jǐn)?shù)值模擬的圖）可以看出，隨著支架支護(hù)強(qiáng)度的增加，頂板下沉量都是減小趨勢(shì)，支架支護(hù)強(qiáng)度在0.7MPa時(shí)為明顯的分界點(diǎn)，支架支護(hù)強(qiáng)度小于0.7MPa時(shí)，頂板下沉值較大，頂板變形嚴(yán)重，頂板穩(wěn)定性較差；支護(hù)強(qiáng)度大于0.7MPa時(shí)，頂板下沉被控制在很好的范圍內(nèi)，并隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，控制頂板下沉效果不太明顯，也就是說控制能力在減弱，故支護(hù)強(qiáng)度0.7MPa為最佳。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)表

圖2 B1～B5點(diǎn)下沉變化曲線

3.2 液壓支架選型優(yōu)化

（1）根據(jù)理論計(jì)算和FLAC數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外液壓支架發(fā)展的現(xiàn)狀，綜合分析ZY5200/17/37掩護(hù)式液壓支架符合要求。

（2）支架優(yōu)化的關(guān)鍵在于在支架前段設(shè)立翻轉(zhuǎn)板，如圖3和圖4，翻轉(zhuǎn)板在合適的時(shí)間及時(shí)翻轉(zhuǎn)，給上分層煤一定的支撐力，要求采煤機(jī)割完矸后，及時(shí)啟動(dòng)翻轉(zhuǎn)板，在割上分層煤前收回翻轉(zhuǎn)板，采煤機(jī)和翻轉(zhuǎn)板需要默契配合。

（3）完整的循環(huán)步驟：采煤機(jī)先割中間夾矸，可適當(dāng)剩余0.2m左右的矸石，此時(shí)翻轉(zhuǎn)液壓支架翻轉(zhuǎn)板及時(shí)支護(hù)上分層煤，見圖5和6，完成割矸工作后，工作面刮板輸送機(jī)及時(shí)將矸石運(yùn)出工作面，液壓支架翻轉(zhuǎn)板依次收回，采煤機(jī)隨之割上下分層的煤，工作面刮板輸送機(jī)將煤及時(shí)運(yùn)出工作面，完成運(yùn)輸后，開始下一個(gè)割矸和割煤循環(huán)。實(shí)踐證明，液壓支架前端設(shè)立翻轉(zhuǎn)板，可有效拖住上分層煤，使上分層煤更不易垮落。

圖3 翻轉(zhuǎn)板翻轉(zhuǎn)前

圖4 翻轉(zhuǎn)板翻轉(zhuǎn)后

4 結(jié)論

針對(duì)薄煤層厚夾矸綜合機(jī)械化采煤中支架選型及優(yōu)化難題，通過理論分析和數(shù)值模擬，確定了工作面支架的強(qiáng)度，對(duì)選取的液壓支架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足煤和矸分采分運(yùn)需要，取得了良好效果，為相似條件下的支架選型和優(yōu)化提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

圖5 支架翻轉(zhuǎn)板支護(hù)前效果圖

圖6 支架翻轉(zhuǎn)板支護(hù)后效果圖