耿行
黔西南州能源局 562400
摘 要：本文以火铺矿21170工作面为工程背景，对三软煤层综采液压支架的选型进行了探索。阐述了三软煤层“支架-顶板-煤壁”系统的失稳特征及支架设计原则，指出增大支架工作阻力、采用护帮板能提高三软煤层回采的可靠性，通过顶板动载荷法计算确定了该采面液压支架合理的支护阻力并进行了支架选型，成功进行了工程实践。
关键词：三软煤层；液压支架；支护阻力
图分类号：TD355文献标志码：A 文章编号：
随着煤矿开采设备的制造工艺及回采工艺水平的卓越发展，使得各种复杂赋存条件下的煤层开采可靠性得以提高，采用先进的回采设备可以在保障安全的前提下有效提高煤炭回采效率及经济效益，故在长期的工程实践中对于回采设备的研究极为重要，特别是液压支架的研究应用[1-2]。
贵州盘江矿区三软煤层占据了很大的开采比例，而盘江矿区的火铺矿17#煤层与一般三软煤层有所不同，其顶底板岩性及煤质更为松软，属典型的三软煤层，对其综采技术的攻关研究一直是该矿区的一大难题。该矿在17#煤层的开采中，支架失稳、顶板冒落、煤壁片帮等事故频发，极大程度上制约了综采面效率的发挥，造成17#煤回采速度异常缓慢，平均月推进量在20m左右，回采效率低[3]，开展火铺矿三软煤层综采工作面液压支架的选型探索研究及运用性分析对火铺矿乃至盘江矿区的17#煤安全高效开采具有重要的现实指导意义。
本文以盘江矿区火铺矿17#煤层21170工作面的回采为工程背景，采用理论分析和理论计算进行液压支架的优化选型研究，并在工程实践中进行应用效果分析。
1 工程概况
火铺矿21170综采工作面埋深284～345m，平均为307m，平均倾角为23°。煤层普氏系数f约为0.1，煤质极为松软呈粉末状。煤层厚度平均为6.6m，采用走向长壁采煤法进行分层开采。煤层直接顶板为14m厚的泥质粉砂岩，普氏系数f约为1～2，节理裂隙发育，极易冒落，稳定性极差。
2三软煤层“支架-顶板-煤壁”系统稳定性分析
2.1 “支架-顶板-煤壁”系统失稳特征
在采场液压支架工作阻力的研究方法中，英国WELSON方法将维持采面直接顶的稳定作为确定支架工作阻力的依据[4]，即与直接顶形状及载荷有关，支架与顶板构成一个稳定系统，但忽略了采场煤壁的支撑作用。三软煤层顶板极为松软，随采随落，且煤壁极易发生片帮，构建“支架-顶板-煤壁”稳定性系统如图1所示。支架支护阻力P与上覆“倒梯形区域A”中的岩层载荷QA达到平衡时必有载荷作用在前方煤壁上，否则区域A岩块将发生旋转失稳，煤壁的支撑力P煤参与了采场的平衡系统，即在极限平衡状态时，QA=P+P煤。
在“支架-顶板-煤壁”稳定性系统中，若液压支架支护阻力P小于覆岩载荷QA，覆岩载荷将更多的由煤壁支撑，而煤壁的稳定性降低，此时煤壁发生片帮的概率增大。片帮后煤壁上方的岩层随之冒落，从而造成支架埋头、压死等现象，液压支架的支护阻力在三软煤层的“支架-顶板-煤壁”稳定性系统中起到了决定性作用，故应尽可能地提高支架工作阻力，缓解煤壁压力，维持采场“支架-顶板-煤壁”系统的稳定性。
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图1采场“支架-顶板-煤壁”系统失稳示意
2.2 三软煤层液压支架设计原则
（1）增大支护阻力
额定支护阻力是支架型号的主要表征，当支架无法支撑上覆顶板重量时立柱将下沉，此时顶板发生活动，稳定性变差，煤壁将承受更大的顶板压力，极易发生片帮，从而引发上覆顶板垮落式冒落，故应增大液压支架的支护阻力可在支撑顶板的同时起到保护煤壁的作用。
（2）护帮强顶
三软煤层煤壁松软易片帮，采用护帮板可提高煤壁自身的稳定性，及时支护煤壁，减少片帮现象的发生，达到强化煤帮上覆顶板的效果。
（3）增加前探梁长度
煤壁片帮后支架空顶距增大，而冒顶往往发生在片帮之后的顶板支护不及时，故支架设计中加长前探梁长度能在片帮后及时支护顶板，减少空顶时间及空顶距，保证顶板的稳定性。
3液压支架的确定及效果评价
3.1液压支架工作阻力的确定及支架选型
液压支架的承载特征与采场覆岩静态结构有关，一般考虑为采场上覆岩石的重量，同时支架支护阻力的确定还应考虑采面推进过程中采场顶板的最大动载效应[5]。利用顶板载荷并添加动载系数来计算支架的工作阻力如下。
支架的支护强度q由煤层顶板的等级和煤层厚度所决定，一般q=10-5W1Hγ，W1指作用煤层顶板岩石厚度系数，取6；H1指割煤高度，取3m，经计算得q=0.43MPa。
支架的工作阻力计算为：
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式中，P—支架工作阻力，kN；L—直接顶岩梁长度，取5.8m；B—顶梁宽度，k—架间距，取B+k=1.5m。—支撑效率，取0.8；为动载系数，取1.2。经计算得P=5611.5kN。
分析可得，工作面合理的工作阻力应不小于5611.5kN，考虑一定的富余系数，故该工作面选用支架的设计工作阻力应不小于6000kN。结合矿实际情况及煤层赋存条件，确定21170工作面采用ZY6000-15/33型掩护式液压支架进行回采可以满足顶板的支护要求。
3.3 效果评价
（1）工作面支护阻力监测分析
一般情况下，支架支护阻力在每循环末时达到最大值，针对性地选择15个支架进行支架支护阻力进行实测得到，支架中的平均循环末工作阻力均大于支架额定工作阻力的80%（4800kN），回采中尚未发现支架工作阻力超过6000kN的情况。支架的工作阻力始终留有一定的富余量，可以有效保障工作面顶板的长期稳定。
（2）回采效果分析
截止2020年4月1日，21170工作面已正式采用ZY6000-15/33新型液压支架进行回采1个月，该月仅发生一次小范围冒顶，片帮冒顶事故的发生频率得到有效降低，该月共计推进45m，相比于类似条件的13174采面月均20m的回采效率提高了225％，极大程度上提高了回采效率。
4结语
通过对三软煤层“支架-顶板-煤壁”失稳特征进行分析，指出提高支架工作阻力，采用护帮板能提高三软煤层采场支架的稳定性，并阐述了三软煤层液压支架的设计原则。采用顶板动载荷法进行计算得到了工作面合理的工作阻力应不小于5611.5kN，从而确定了21170采面支架型号为ZY6000-15/33型掩护式液压支架。回采效果表明新型支架可以有效保障21170工作面顶板的稳定性，同时极大程度的提高了工作面的回采效率，对本矿乃至矿区的17#煤层的开采具有一定的现实借鉴意义。
参考文献：
[1]王国法, 庞义辉. 液压支架与围岩耦合关系及应用[J]. 煤炭学报, 2015, 40(01):30-34.
[3]赵树果, 宋卫东, 谷岩. 液压支架护顶长壁式单层崩落法在官店铁矿的应用研究[J]. 矿业研究与开发, 2011(05):7-8+48.
[3]邓改革. 火铺矿三软煤层安全高效回采技术研究[D]. 中国矿业大学, 2014.
[4]郑贺斌. 综放工作面上覆岩层运动规律及支架选型研究[D]. 2016.
[5]王耀辉. 急倾斜煤层机械化开采合理支护强度的研究[J]. 中州煤炭, 2016(4):51-53.
作者简介：耿行（1995-09），男，贵州盘县人，硕士学历，从事采场及巷道围岩控制方面的研究工作。