大倾角综采工作面液压支架稳定性及适应性评价

赵 榕

（山西潞安化工集团潞宁煤业有限责任公司， 山西 忻州 036700）

引言

现阶段煤炭开采逐渐向大倾角，大深度煤层发展。对于大倾角煤层而言，开采最为关键的任务是对工作面岩层的稳态控制。液压支架作为综采工作面支护的关键设备，根据工作面实际工况选择最佳液压支架，并对其在生产阶段的稳定性和适应能力进行评估是保证煤矿安全生产的理论基础。本文重点开展大倾角综采工作面液压支架的稳定性与适应能力研究。

1 1042 综采工作面概况

本文以1042 综采工作面10 号煤层开采为例开展研究。1042 综采工作面目前核定的生产能力为185 万t/年；该工作面实测的平均涌水量为660 m3/h，最大涌水量可达850 m3/h。1042 综采工作面的灰岩水压较大，主要通过导水断层、采动裂隙涌入综采工作面影响工作面的安全生产。1042 综采工作面10 号煤层的地质条件如表1 所示。

表1 1042 综采工作面10 号煤层地质条件

为准确完成10 号煤层工作面液压支架的选型，需切实掌握其顶板的抗压强度和抗拉强度。其中，基本顶的抗压强度和抗拉强度分别为32.47 MPa 和2.10 MPa；直接顶的抗压强度和抗拉强度分别为27.42 MPa 和1.60 MPa；煤层的抗压强度和抗拉强度分别为7.27 MPa 和0.70 MPa。

2 大倾角工作面液压支架的选型

工作面液压支架选型可通过理论计算、工程类比以及数值模拟手段开展。在实际选型设计中，单纯采用理论计算并不能够选择最佳的液压支架，需通过理论计算与工程类比或者数值模拟相结合的手段完成液压支架的选型。本文采用理论计算与数值模拟相结合的方式对10 号煤层工作面的液压支架进行选型。

2.1 液压支架选型的理论计算

液压支架的选型计算需结合工作面的地质、煤层条件重点完成液压支架支护强度、初撑力、数量以及结构等方面的计算。经计算可知，满足10 号煤层工作面液压支架的关键参数理论计算结果如表2 所示。

表2 10 号煤层工作面液压支架关键参数的理论计算

针对液压支架的顶梁结构，鉴于液压支架所应用的工作面为大倾角工作面其顶板稳定性较差，为保证液压支架对顶板的支护效果和较好的密封性，选择整体刚性顶梁。

针对液压支架的底座结构，由于工作面底板的灰岩和粉砂岩的吸水性较强且属于相对较软的底板，为了保证液压支架支护后的稳定性，在一般底座的基础上增加抬底装置和斜撑立柱[1]。

2.2 液压支架支护强度的数值模拟分析

液压支架支护强度为衡量其对工作面围岩控制效果的关键指标，为了验证上述理论计算结果的适用性，基于FLAC 3D 软件建立10 号煤层工作面的模型，并对不同液压支架支护强度下工作面顶板的下沉量进行对比分析，最终确定最佳的液压支架支护强度。对比的支护强度包括有0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa、0.75 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa 以及1.0 MPa，并得出如表3 所示的数值模拟结果。

如表3 所示，从整体上分析随着液压支架支护强度的增加，对应工作面的顶板下沉量减小。但是，当液压支架支护强度小于0.75 MPa 的范围内，随着支护强度的增加工作面顶板最大下沉量的下降幅度较大；当液压支架支护强度大于0.75 MPa 的范围内，随着支护强度的增加工作面顶板最大下沉量的下降幅度较小[2]。因此，综合分析对工作面围岩状态的控制效果和经济合理性，最终确定液压支架的支护强度为0.75 MPa，与理论计算的0.74 MPa 相符合。

表3 不同支护强度对应工作面顶板的最大下沉量

综上，最终确定10 号煤层工作面普通液压支架的型号为ZZ8400/21/48，数量为121 架；端头液压支架的型号为ZQL10800/21/45，数量为3 架。

3 液压支架的稳定性及适用性评价

本次观测主要对工作面实际支护的液压支架的载荷、顶板的活动规律以及工作面的支护质量进行观测，涉及到的观测仪器为测力仪、压力显示仪表[3]。矿压观测方案的布置如图1 所示。

图1 工作面支护后矿压观测方案

经过初步观测判定，1042 工作面直接顶初次垮落的步距为6 m，基本顶初次来压步距为25～30 m，基本顶周期来压步距为13～20 m。

通过对实际生产期间工作面所布置液压支架工作阻力的变化曲线以及所有液压支架的平均支护阻力和最大支护阻力，得出如表4 所示的观测值。

表4 工作面液压支架的工作阻力测定结果

分析表4 结果可知，工作面液压支架在实际支护过程中并未出现明显的变形或者损坏的情况。说明，所选型的液压支架能够完全胜任工作面的支护要求且对应的利用率较高，实现对液压支架支护效能的充分利用。而且，在实际生产采取了有效的稳定控制措施，确保液压支架在支护过程中并未出现支架倒斜的现象。

4 结论

1）通过理论计算和数值模拟分析最终确定1042工作面普通液压支架的型号为ZZ8400/21/48，数量为121 架；端头液压支架的型号为ZQL10800/21/45，数量为3 架。

2）所选型设计的液压支架与1042 工作面具有较好的适用性和匹配性；而且工作面采取了有效的稳定控制措施，确保液压支架在支护过程中并未出现支架倒斜的现象。