天合煤礦11201綜采工作面支架工作阻力計算探析

姬鵬錦， 王海浪， 陳國棟

(貴州誠搏煤業(yè)有限公司天合煤礦，貴州 習水 564600)

根據(jù)支架和圍巖力的相互作用，可將液壓支架分為支撐式、掩護式和支撐掩護式三種類型。不同類型的支架有不同的特點，適用情況也有所不同，如支撐式支架的頂梁較長，有良好的切頂性能，且結(jié)構(gòu)簡單，在中等穩(wěn)定以上情況適用；掩護式支架的頂梁相對較短，但掩護梁長，有良好的防矸性，在頂板破碎及中等穩(wěn)定以下情況適用；支撐掩護式支架頂梁長、掩護梁短，主要起支撐作用，還有一定掩護性能，在頂板破碎及大頂壓情況下均可使用。支架選型除了要根據(jù)頂板實際情況進行，還要通過計算確定工作阻力，以保證選型的正確性、可行性。

1 天合煤礦11201綜采工作面概況

天合煤礦主要可采煤層為C5、C8、C12煤層，11201綜采工作面為C12層，為含煤地層龍?zhí)督MP3l下部。根據(jù)天合煤礦安全專篇描述C12煤層：煤層厚1.80～2.00 m，平均厚1.90 m，煤層平均傾角約14°，煤層結(jié)構(gòu)較復雜，頂板為粉砂巖、細砂巖，較堅硬完整，穩(wěn)定性好，在煤層與圍巖之間有一層偽頂，底板為黏土巖，上距C8煤層23 m，屬較穩(wěn)定的可采煤層。根據(jù)地質(zhì)資料可知，C12煤層在礦區(qū)內(nèi)呈層狀產(chǎn)出，煤層厚度穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)及頂、底板巖性變化不大，全區(qū)可采。

2 支架選型

根據(jù)地質(zhì)資料，C12煤層直接頂以粉砂巖為主，平均厚度3 m；粉砂質(zhì)泥巖和細砂巖質(zhì)地堅硬且比較完整，有良好的穩(wěn)定性。老頂以泥質(zhì)粉砂巖與細砂巖為主，平均厚度21 m，質(zhì)地堅硬，連續(xù)且完整，以層狀產(chǎn)出，層厚變化小。據(jù)此可判斷直接頂與老頂均屬于III穩(wěn)定頂板。

直接底以鋁土質(zhì)泥巖為主，層厚5～7 m，呈淺灰色的黏土巖，在遇水后會產(chǎn)生底鼓。通過揭露，直接底為灰?guī)r鋁土質(zhì)泥巖含團塊黃鐵礦，質(zhì)地堅硬；老底的厚度超過100 m，以層狀產(chǎn)出，連續(xù)且完整，質(zhì)地堅硬。據(jù)此可判斷直接底與老底均屬II松軟類型。

現(xiàn)階段工作面所用支架為掩護式支架，采用這一支架可以抵御采空區(qū)頂板發(fā)生垮落后由大塊矸石對其尾梁造成的沖擊，從而有效控制頂板，提供充足大切頂力，避免仰俯角與歪斜度增大。初次來壓與周期來壓支架都沒有發(fā)生傾倒，為保證支架適用性及維護便利性，將掩護式支架(圖1)作為首選類型。

圖1 掩護式支架

1—掩護梁；2—頂梁；3—立柱；4—側(cè)護板；5—連桿；6—推移千斤頂；7—底座

3 支架工作阻力計算

3.1 利用采高容重法計算支架工作阻力

采高容重法根據(jù)周期來壓過程中上部巖層發(fā)生移動后影響的范圍對工作阻力進行確定，目前國內(nèi)主要采用采高倍數(shù)與巖石容重乘積確定不同條件下支架需要達到的工作阻力。利用該方法的經(jīng)驗公式進行計算，支架應(yīng)能支持采高巖石質(zhì)量的4～8倍，工作阻力計算公式為：

F=8MRgBLKcosα(1)

式(1)中，M為采高，取2 m；R為巖石容重，取2.5×103kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；B為支架的中心距，取1.5 m；LK為支架可以達到的最大控頂距，取4.5 m；α為煤層的傾角，取14°。

將以上數(shù)值代入到式(1)，可得工作阻力為2 567.4 kN。

實際生產(chǎn)中，支架支撐效率不可能為100%，所以理論計算確定的工作阻力往往比實際需要的阻力大，可表示為：

F理=F/KS(2)

式(2)中，KS表示支撐效率，由于目前以支撐掩護式支架最為常用，結(jié)合該煤礦實際情況，當采用掩護式支架時，其支撐效率取0.7(當為掩護式支架時，支撐效率為0.65～0.75；當為支撐掩護式支架時，支撐效率為0.80～0.95；當為支撐式支架(圖2)時，支撐效率為0.90～0.96)。

圖2 支撐式支架

將以上數(shù)值代入到式(2)，可得理論工作阻力為3 667.7 kN。

3.2 利用頂板結(jié)構(gòu)法計算支架工作阻力

利用這一方法計算支架工作阻力，在初次來壓時可采用下列公式計算：

F=BLKMZgLKRZ(3)

式(3)中，B為支架中心距，取1.5 m；LK為支架可以達到的最大控頂距，取4.5 m；MZ為從直接頂上垮落的巖石總厚度，m；g為重力加速度，取9.8 m/s2；RZ為從直接頂上垮落的巖石容重，kg/m3。由于煤層回采時易產(chǎn)生垮塌，所以MZ取3 m，RZ取2.5×103kg/m3。

將以上數(shù)值代入到式(3)，可得初次垮落條件下支架工作阻力為2 232.56 kN。

采用上述方法確定理論工作阻力為3 189.37 kN。

3.3 根據(jù)行業(yè)標準確定支架工作阻力

根據(jù)行業(yè)標準確定支架工作阻力的計算公式為：

P=72.3M+4.5C1+78.9LK-10.24N-62.1(4)

式(4)中，P為直接頂?shù)念~定支護強度，kN/m2；M為采高，取2 m；C1為直接頂在初次垮落時對應(yīng)的步距，取22.5 m；LK為支架可以達到的最大控頂距，取4.5 m；N為直接充填系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗取采高高度2 m。

將以上數(shù)值代入到式(4)，可得 值為518.32 kN/m2，即支護強度不能低于518.32 kN/m2。對于液壓支架，其工作阻力可采用以下公式進行計算：

F=P(BLK/KS)(5)

式(5)中，P為直接頂?shù)念~定支護強度，取518.32 kN/m2；B為支架中心距，取1.5 m；LK為支架可以達到的最大控頂距，取4.5 m；KS為支撐效率，取0.7。

將以上數(shù)值代入到式(5)，可得工作阻力為4 998.1 kN。

3.4 利用老頂結(jié)構(gòu)法計算支架工作阻力

因貴州一般無沖擊地壓，所以該方法很少使用。在老頂初次來壓情況中，可采用以下公式確定支架工作阻力：

(6)

式(6)中，B為支架中心距，取1.5 m；LK為支架可以達到的最大控頂距，取4.5 m；MZ為從直接頂上垮落的巖石總厚度，m；g為重力加速度，取9.8 m/s2；ME為從直接頂上垮落的巖石容重，kg/m3； 為老頂巖石厚度，m；RE為老頂巖石容重，kg/m3；C1為老頂在初次垮落時對應(yīng)的步距，m。

由于煤層回采時易產(chǎn)生垮塌，所以 取3 m；老頂巖石以泥質(zhì)粉砂巖與細砂巖為主，質(zhì)地堅硬，連續(xù)且完整，以層狀產(chǎn)出，層厚變化小，層厚21 m，故其ME取21 m；RZ與RE的值取2.5×103kg/m3；C1取經(jīng)驗值，為22.5 m。

將以上數(shù)值代入到式(6)，可得工作阻力為10 914.75 kN。采用式(2)計算理論工作阻力為12 840.88 kN(支撐效率取0.85)。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)本次選型計算可得：(1)可采用采高容重法、直接頂結(jié)構(gòu)法、老頂結(jié)構(gòu)法和行業(yè)標準計算支架工作阻力；(2)支架選型宜以掩護式支架為主；(3)根據(jù)以上計算結(jié)果，支架工作阻力應(yīng)達到5 000 kN以上。