王从跃
淮北矿业(集团)有限责任公司许疃煤矿
摘要：
液压支架参数选择对控制顶板稳定性及工作面正常生产至关重要，本文通过计算确定了72311工作面老顶分级为Ⅰ级来压不明显，工作面直接底属Ⅲb类较软底板；结合不同等级顶板条件下支架架型选择表，液压支架类型选择掩护式液压支架；采用载荷估算法和基于顶板分类的支护强度计算方法，理论计算支架支护强度应不低于0.662MPa；建立“支架-围岩”相互作用关系的FLAC3D数值模拟，从液压支架不同支护强度P=0.5、0.6、0.7、0.8、0.9MPa，得出工作面顶板下沉位移与工作面支架支护强度规律，最终确定支架支护强度不低于0.7MPa。
关键词：支架参数；采煤方法；液压支架；数值模拟
0 引言
煤矿现代化象征着综合机械化，为达到安全高效生产，国内外对煤矿综合机械化不断
深入研究，并取得了一定成绩。大量事实证明使用液压支架，工作面顶板控制能力
会得到很大提高，但如果支架参数选择不合理，液压支架将不能很好的控制顶板稳定性，对工作面正常生产影响[1-2]。
综采工作面的顶板控制关键因素
在于支架和围岩能否适应对方[3]；支架和围岩能力相适应时，顶板位移被控制在一定范围内，顶板事故发生的概率就会大大降低[4-5]；工作面安全高产高效的基础就是巷道围岩的控制[6]。
液压支架选型包括架型、支护强度、额定工作阻力等参数的选择，而且要根据工作面实际地质条件对支架的顶梁、底座和护帮等参数进行选择，而在这些当中，最重要参数是支架的架型和支护强度，本文就利用FLAC3D数值模拟软件对这些关键参数进行研究。
1 液压支架选型原则及依据
1.1 液压支架选型原则
①支架的支护强度应与顶板压力相适，支架的初撑力和工作阻力要满足直接顶和老垮落或旋转对支架的力，支架要保证工作面板下沉量控制在一定范围内；
②支架结构的选择和煤层条件应相适；
③支护断面的大小应与工作面通风相适应，既要保证有足够大的断面满足工作面通风需要，也要控制流速不易过大或者小，要符合《煤矿安全规程》有关规定；
④液压支架的尺寸应与采煤机、刮板输送相适应。其中支架宽度应与刮板输送机中部槽长度相一致；支架推移千斤顶的行程，应大于采煤机截深0.1～0.2m；支架移架速度应与采煤机工作时牵引速度相适应；支架梁端距应控制在350mm左右。
1.2 液压支架选型依据及内容
①液压支架选型前需对工作面煤层、顶底板各个情况全面了解，对上覆岩层情况要探清，要确定开采工艺，要了解相似工作面矿压情况；
②选择支架时，要确定下述内容：支架类型，如支撑掩护式或掩护式；立柱根数；支护阻力，包括初撑力、额定工作阻力；支架结构高度，包括最大和最小高度；顶梁和底座的结构形式、尺寸及其相对位置；对防滑、防倒、防片帮、调架、移架、端面维护等装置的要求；操作方式、阀组性能等。
2 液压支架类型及强度选择
2.1 液压支架类型选择
对于综采工作面，液压支架是关系到整个综采过程能否顺利的关键性因素，支架的类型及结构更是选择支架首当其冲的问题，支架的类型选择受到工作面顶底板岩性、煤岩赋存条件（包括煤层倾角、煤层厚度变化和煤层普氏系数）、顶板垮落步距以及回采时是否容易发生片帮、冒顶和支架下陷等因素的影响。
（1）掩护式支架适用条件
在国内，掩护式支架多适用于顶板压力较小，基本顶周期来压比较稳定，动载系数小于1.5，直接底比较坚硬，采高不是太大，煤壁不易片帮等情况的工作面。可改进支架参数扩大掩护式支架适用范围，如可增大支架额定初撑力，加大切顶能力，根据现场情况改进防片帮和梁端支护的装置等。
（2）支撑掩护式架适用条件
支撑掩护式架适用的范围比掩护式更广泛，主要是因为该支架强度、初撑力更高，顶梁尾部支撑能力和切顶能力增强，支架底座前端部分比压较小，故该支架能适应老顶较大来压强度，动载系数可大于1.5，能有效控制坚硬顶板，能适应底板松软等基本顶级别I到Ⅵ，直接顶类别2到4的工作面。支撑掩护式架由于顶梁过长，顶梁支撑能力不均匀，尤其前端较小，且低掩护式支架的前端。
（3）支撑式支架适用条件
支撑式支架仅适用于基本顶来压强度大，而水平推力小的稳定或坚硬顶板。
根据各类支架适用条件，结合不同等级顶板条件，绘制支架架型选择表1。
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2.2 液压支架强度选择
综采工作面液压支架的支护强度是能否顺利进行安全高效回采的关键。合理的支护强度可以大大提高工作面支护效果，同时可以防止顶煤因支护强度过大而发生顶板破碎，导致顶板难以维护。科学的选择支护强度是液压支架选型的基础，有三种方法确定支护强度：载荷估算法、基于顶板分类的支护强度计算方法和现场实测法，计算设计时采用前两种方式。
（1）载荷估算法
估算法认为支架的合理工作阻力P应能承受控顶区内以及悬顶部分的全部直接顶载重Q1，还要承受当工作面来压时形成的附近载荷Q2。
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（2）基于顶板分类的支护强度计算方法
该方法可根据中华人民共和国煤炭行业标准《缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类》（MT554-1994）附录D“顶板分类对液压支架额定支护强度的要求”来确定支架的支护强度（表2）。
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3 数值模拟分析
3.1 模型建立
为了定性分析采场在液压支架不同工作阻力时，围岩应力分布和顶板下沉等特征规律，为支架选型和支架关键参数确定提供理论依据。下面将运用FLAC3D数值模拟软件对72311综采工作面建立模型，进行数值模拟。
按照实际地质条件建立FLAC3D模型，该模型以煤层为基准，根据工作面地层综合柱状图并对其进行优化处理，取顶部7层煤岩石，模型上边界为应力边界，埋深，通过约束水平方向和垂直方向位移，固定底部边界方式约束边界条件，模型采用莫尔-库仑屈服准则、大变形模式进行求解。
根据72311综采工作面开采条件，应用FLAC3D数值模拟程序对综采工作面开采进行模拟，工作面支架支护强度分别取P=0.5、0.6、0.7、0.8、0.9MPa，通过比较分析这5种方案，进而确定工作面顶板下沉位移与工作面支架支护强度规律。
3.2 结果分析
FLAC3D数值模拟软件模拟工作面液压支架在不同工作阻力下顶板下沉规律。通过在相应煤岩内布置测点，煤层开始回采时，追踪布置具有代表性点的下沉位移变化情况，提取绘制位移变化曲线。在长100m的工作面顶板布置3×5个测点，分别为在工作面中心的A1、A2、A3、A4、A5五个点，两侧分别离中心25m的B1、B2、B3、B4、B5和C1、C2、C3、C4、C5，A1距离煤壁1m，A1～A5每个点之间相隔1m，B1～B5和C1～C5布置与A1～A5相同，布置测点位置如图1所示。
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图1 测点布置图
1）当支架支护强度P=0.5MPa时，下沉曲线为（统一以A1～A5组进行对比）：
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图2 0.5MPa下沉变化曲线
2）当支架支护强度P=0.6MPa时，下沉曲线为：
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图3 0.6MPa下沉变化曲线
3）当支架支护强度P=0.7MPa时，下沉曲线为：
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图4 0.7MPa下沉变化曲线
4）当支架支护强度P=0.8MPa时，下沉曲线为：
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图5 0.8MPa下沉变化曲线
5）当支架支护强度P=0.9MPa时，下沉曲线为：
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图6 0.9MPa下沉变化曲线
随着支护强度的增加，顶板下沉量的减小幅度变化不一，尤其当支架支护强度在0.7MPa时，小于0.7MPa和大于0.7MPa时变化幅度均存在明显区别；支架支护强度小于0.7MPa时，顶板下沉值较大，顶板变形严重，顶板稳定性较差；反之，支护强度大于0.7MPa时，顶板下沉被控制在很好的范围内，但随着支护强度的增加，控制顶板下沉效果不太明显，也就是说控制能力在减弱。
为了从另一种角度分析支护强度的合理值，研究工作面不同顶板位置在不同支护强度下的下沉规律（图7），可以看出，虽然随着支护强度的增加，顶板下沉值不断在减少，但支架支护强度在0.7MPa时，工作面下沉达到了一个趋于稳定的较小值，也就是说支架支护强度为0.7MPa时，支架既满足很好的控制顶板的要求，也使支架效能达到最优。
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图7 支护强度与下沉变化关系
4 结论
（1）以强度指数D为确定直接顶类别的主要指标，确定煤矿72311工作面直接顶类型为Ⅲ类稳定顶板；以老顶初次来压当量值为指标，由参数老顶初次来压步距、煤层采高以及直接顶充填系数N来确定，经计算确定72311工作面老顶分级为Ⅰ级来压不明显，工作面直接底属Ⅲb类较软底板。
（2）72311工作面直接顶板为Ⅲ类稳定顶板，基本顶为Ⅰ类来压不明显，结合不同等级顶板条件下支架架型选择表，液压支架类型选择掩护式液压支架。
（3）采用载荷估算法和基于顶板分类的支护强度计算方法，理论计算支架支护强度应不低于0.662MPa；建立“支架-围岩”相互作用关系的FLAC3D数值模拟，从液压支架不同支护强度P=0.5、0.6、0.7、0.8、0.9MPa，得出工作面顶板下沉位移与工作面支架支护强度规律，最终确定支架支护强度不低于0.7MPa。
参考文献
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[6]许丽华. ZY12000型矿用液压支架顶梁结构强度分析[J]. 煤炭与化工, 2020, 43(10): 78-80.
作者简介：王从跃（1988～01），男，安徽淮北市人，工程师，现任许疃煤矿综采一区机电副区长，