深井坚硬顶板综放工作面支架选型计算

摘 要：本文以梁宝寺矿3300采区支架选型为例，介绍一种按工作面初次来压步距，支架对顶板采取“限定变形”工作状态的计算方法。

关键词：深井；初次来压；支架选型

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.06.079

0 引言

近年来，随着深井的建设，高产高效、高可靠性“三机”配套显得尤为重要，以往综放工作面支架工作阻力偏小，影响着工作面安全生产。合理的“三机”配套，支架选型是实现安全高产高效的基础。综放支架选型计算以往多采用顶板载荷估算法计算，往往由于老顶厚度变化较大使计算结果与实际相差较大，使得支架选型不够科学。本文以梁玉寺矿3300采区支架选型为例，介绍一种按工作面初次来压步距，支架对顶板采取“限定变形”工作状态的计算方法。

1 3300采区顶底板分析

3300采区位于-780m水平以下，采区开采深度750m～1200m，采区地质构造复杂，地应力大，由于断裂构造与向斜构造的结合，采区中央形成了宽缓盆地。从区内6个有效钻孔分析煤层及顶底板厚度变化大。

1.1 底板

3煤层底板主要由泥岩、粉砂岩组成，从单轴抗压强度可知，最小为22.7 Mpa，其底板比压大于22.7 Mpa，说明底板中硬等级，支架选型不需要考虑底板岩性。

1.2 顶板

3煤层直接顶板多为泥岩、粉砂岩组成，其抗压强度值测井计算为25.8～58.2Mpa，岩样测试为17.6～67.4Mpa，变化较大，平均值偏低，岩石的完整程度差（RQD值8～46），故多为较稳定至不稳定顶板。老顶为厚度16.0m左右的细砂岩、中砂岩、粗砂岩组成，属于坚硬顶板。

2 支护强度确定

2.1 控制顶板的范围

根据煤层柱状图，参考正在开采的工作面岩层冒落情况，支架控制顶板包括直接顶和老顶两部分。根据主采煤层顶板的岩层结构，来压强度预计较明显（预计周期来压步距18m左右），实际计算支架工作阻力时按煤层的顶板结构进行预计。根据6个有效钻孔图，钻孔显示的岩层呈现为直接顶厚度较小，老顶厚度增加的特征，将直接顶与老顶进行平均化处理，结果如下：直接顶为粉砂岩、泥岩互层，厚度4m左右；老顶为砂岩，厚度16m左右；老顶来压步距平均18.0m（根据矿压观测类比而得）。

2.2 支护强度的确定

“限定变形”工作状态计算方法。支架在“限定变形”条件下工作时，要求控制的采场顶板下沉量（）将小于岩梁裂断处触矸时的采场顶板下沉量（），即：。

“限定变形”条件下支架必须的阻抗能力（）值，针对已知岩梁结构参数的差异分别可由下列“位态方程”表达。包括两种形式。根据岩梁厚度和运动步距建立位态方程：

当岩梁厚度及裂断步距等，则

其中：

，

式中：PT―支架阻抗能力，KN/m2；A―直接顶的作用力，KN/m2；Δhi―限定变形条件下控顶距处的顶板下沉量，m；ΔhA―采场支架在“给定变形”条件下的采场顶板下沉量，m，取Δhi =ΔhA；Mz―直接顶厚度，m，（根据钻孔平均分析资料选用4.0m，98-B1钻孔为1.63m。）；ME―老顶厚度，m，（根据钻孔平均分析资料选用16.0m， 98-B1钻孔为14.9m。）；γZ―直接顶的容重，KN/m3，取26；γE―老顶的容重，KN/m3，取26；fZ―直接顶悬顶系数（取1.0m）；C01―第一岩梁初次来压步距，m，选用18m；RT―支架工作阻力，KN；ST―支架支护面积，m2；lK―支架控顶距离，m，选择3.9m；CE―岩梁断裂来压步距，m，（依据矿压观测资料，预计18m）。

依据煤层的顶板结构，老顶断裂有可能出现在煤壁的剪断形态，因此支护强度按极限状态考虑。按照98-B1钻孔3301面3305之间，老顶厚度取14.9m，取C01―第一岩梁初次来压步距，选用18m。

经计算，需要的支护强度为936.4KN/m2，考虑到老顶来压、大采高煤壁容易片帮（片帮深度一般较小）及支护效率等因素，取1.2的安全系数，支护强度为8428KN/架。因此确定支架工作阻力为8600KN。

3 液压支架的选型

支架选型应考虑：支护强度与工作面矿压显现强度相适应；支架整体结构与具体煤层赋存条件相适应；支护断面与通风要求相适应；推移连接装置与采煤机、刮板输送机等设备相匹配。根据以上分析、计算支架的基本参数定为如下：工作阻力为8600KN，支架高度为1.9～3.8m，支架宽度为1.5m，建议架型为ZF8600/19/38。

针对我矿原使用ZF7200/18/33综放支架出现的不足，对新选型的ZF8600/17/38综放支架进行了15处改进。主要增加了防倒、防滑装置；安设了护帮板；抬底油缸加固；增设了调架油缸；千斤顶改了安装方向；所有主阀、副阀改为了不锈钢材料；脚踏板底面及支架底座箱设置了耳子，对压力表的安装位置进行了优化；加设了多种喷雾并与立柱联动控制；增大了放煤摆角；改成快速移架系统设计；立柱柱头处挡销进行了加粗处理；前后立柱有双伸缩改为单伸缩配合立柱加长段，提高支架加长段卡箍和销子强度；改变支架立柱底销子检修更换位置。

4 结语

综采、综放支架选型合理与否，直接关系到工作面的安全、高效。在选型计算时，应充分留有余地。尽可能加大支架的支护强度，以满足深井高应力冲击型顶板来压的需要。

作者简介：李卫岩（1988-），男，河南扶沟人，主要从事专业技术工作。