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[摘 要]针对15208工作面特殊的地质开采条件，通过采用经验估算法、顶板分类计算法、“砌体梁”理论计算法、顶板分类法和动载荷计算法对15208工作面支架工作阻力进行计算对比分析，结合现场实测以及对比四种计算方法的原理和结果得出： ZZ5200/25/50型液压支架能满足支护强度要求，动载荷法能够合理确定大采高工作面支架工作阻力。
[关键词]综采工作面 支架工作阻力 确定分析
中图分类号：TG115 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）03-0039-02
支架工作阻力合理确定直接影响到液压支架的合理选型，可保证支架工作期间的高适应性和高可靠性[1]，是矿井综合合机械化开采实现高产高效、高安全的关键因素之一，且使工作面围岩控制达到最佳的技术经济效果。液压支架工作阻力的估算方法[4]很多：经验估算法、顶板分类计算法、“砌体梁”理论计算法、实测统计法和动载荷计算法等。本文通过理论计算结合现场实测旨在验证山西某矿15208工作面特殊地质条件下支架工作阻力能否满足支护强度要求。
1.工作面概况
15208工作面布置在5号煤层，煤层位于山西组下部，平均厚度4.50m，含夹石0-7层，多数为1-2层，夹石单层厚度0.02-0.60m，一般在0.06-0.20m之间，巖性以炭质泥岩和泥岩为主。顶板为中、细砂岩、砂质泥岩、泥岩。底板为砂质泥岩或泥岩，局部为细砂岩和粉砂岩。工作面采用走向长壁一次采全高大采高开采技术，全部垮落法管理顶板。煤层倾角3°-7°，属近水平煤层。
2.支架工作阻力计算
支架工作阻力计算方法有：经验估算法、顶板分类计算法、“砌体梁”理论计算法和动载荷计算法等。本文针对15208工作面具体情况，对应用于4.5m采高的液压支架工作阻力可靠性进行验证。
2.1 经验估算法计算
2.3 根据“砌体粱”理论计算
“砌体粱”理论认为支架承受的载荷一部分来自支架上方垮落的直接顶重量，采场上覆岩层老顶破断后能够形成结构，另一部分来自老顶破断岩块结构失稳时形成的载荷。因此，支架工作阻力P为支架控顶范围内直接顶的重量Q1、老顶岩块结构失稳时作用于支架上的力F以及老顶上方岩层的作用力Q2三者之和[3]。因此支架工作阻力P为：
其中，直接顶垮落作用于支架上的力，老顶结构滑落失稳时的作用力），老顶上方随动岩层作用力。
研究结果显示，在煤层上方有多组岩层的情况下可能同时存在多组关键层。作为关键层的老顶对其上非关键层岩层的运动起着关键作用，这些老顶之上至距老顶最近的关键层之下的岩层对老顶的作用力称之为随动岩层作用力[2]。
式中：∑h——直接顶厚度，3.4m；L——支架控顶距，4.0m；γ——顶板岩层容重，取25kN/m3；B——支架中心距宽度，1.55m；β——煤层倾角，平均为4°；h1——随动岩层厚度；LB——B岩块的长度即周期来压步距，取15m；H——老顶岩层厚度，3m；δ——B岩块的下沉量；□——岩块的内摩擦角；θ——岩块的破断角。
代入以上数据，计算支架工作阻力为P=4376N。
2.4 动载荷方法计算
该方法研究基于“砌体梁”理论，认为当老顶岩块结构失稳时，老顶岩块及上覆载荷突然作用在直接顶上，老顶岩块对直接顶形成一种冲击载荷，并通过直接顶传递到支架上。因此支架的工作阻力P为控顶距范围内直接顶的重量与老顶岩块失稳时对支架的冲击载荷作用力之和[4]。计算公式如下：
式中：Kd——动载系数，根据该工作面赋存地质条件，取1.6；Q1——直接顶重量；Q2——老顶重量；①直接顶作用力：，②老顶作用力：；∑h——直接顶厚度，3.4m；L——支架控顶距，4.0m；γ——上覆岩层容重，25kN/m3；B——支架中心距宽度，1.55m；β——煤层倾角，平均为4°；LB——B岩块的长度，取周期来压步距15m；H——老顶岩层厚度，3m。
因此，根据动载荷方法计算支架工作阻力P=4769N。
3.支架工作阻力计算方法比较
对四种方法所得到的计算结果比较分析，其结果虽然基本在一个较合理的范围内，但是每种计算方法都有各自特点：
（1）经验估算法
采用这种方法简单易行，应用较广泛，但是由于岩层碎胀系数K不容易精确得到，计算结果往往由于K值的不同取值，造成较大的偏差。此外这种传统的方法比较适用于以前采高较小的煤层，而对于采高大的工作面，其可行性有待研究。
（2）顶板分类法
顶板分类法是一种由工作人员进行大量的统计分析得出经验计算公式，虽然计算结果相差不大，适合于一般的大采高工作面，但对于有着特殊开采条件的工作面，其适应性不够充分。
（3）“砌体梁”理论计算法
此种计算方法依据“砌体量”理论进行计算，且也得到公认，不过这种“砌体梁”结构在较小采高工作面顶板岩层中能够形成，但是采高较大的工作面顶板岩层中不一定能形成，而且关键块的长度不容易确定，计算起来也很复杂。
（4）动载荷计算法
该方法是基于“砌体梁”理论，针对大采高工作面提出的，计算的关键在于确定老顶来压步距LB、老顶载荷以及动载荷系数Kd。载荷层厚度可由岩层控制的“关键层”理论求出，动载荷系数根据直接顶与老顶的岩性确定，该方法动载荷系数确定困难，计算偏差较大。
4.结论
根据5号煤层的开采条件，目前15208工作面所采用的设计选用的液压支架型号为ZZ5200/25/50，工作阻力5200KN，四种计算方法的结果中，采用动载荷法计算的支架最大工作阻力4769kN/架，相当于支架额度工作阻力的92%。因此可以断定，ZZ5200/25/50，型液压支架能够满足15208工作面顶板支护强度要求。
综合比较四种方法的特点及适应性，结合15208工作面支架工况特性，可以得出大采高工作面支架工作阻力以动载荷为主，传统的以“静载荷法”为主计算液压支架的工作阻力不能更好的适用于大采高工作面，而“动载荷法”则更能合理确定大采高工作面支架工作阻力。
参考文献
[1] 杨宝贵等，上湾矿7m特厚煤层大采高开采支架工作阻力的确定，煤炭工程[J]，2011（7），6～8.
[2] 闫少宏.特厚煤层大采高综放开采支架外载的理论研究[J].煤炭学报，2009，34（5）：590～593.
[3] 孔德中，任志成，耿华乐.大采高工作面支架工作阻力的合理确定[J].煤矿安全，2014，07：163-165+168.
[4] 王家臣，厚煤层开采理论与技术，冶金工业出版社[M].北京，2009.
作者简介
杜坦，（1988—），男，安徽萧县人，2012年毕业于辽宁工程技术大学采矿工程专业，就职于淮南矿业集团潘二矿，从事采场、巷道矿压控制相关工作。
[关键词]综采工作面 支架工作阻力 确定分析
中图分类号：TG115 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）03-0039-02
支架工作阻力合理确定直接影响到液压支架的合理选型，可保证支架工作期间的高适应性和高可靠性[1]，是矿井综合合机械化开采实现高产高效、高安全的关键因素之一，且使工作面围岩控制达到最佳的技术经济效果。液压支架工作阻力的估算方法[4]很多：经验估算法、顶板分类计算法、“砌体梁”理论计算法、实测统计法和动载荷计算法等。本文通过理论计算结合现场实测旨在验证山西某矿15208工作面特殊地质条件下支架工作阻力能否满足支护强度要求。
1.工作面概况
15208工作面布置在5号煤层，煤层位于山西组下部，平均厚度4.50m，含夹石0-7层，多数为1-2层，夹石单层厚度0.02-0.60m，一般在0.06-0.20m之间，巖性以炭质泥岩和泥岩为主。顶板为中、细砂岩、砂质泥岩、泥岩。底板为砂质泥岩或泥岩，局部为细砂岩和粉砂岩。工作面采用走向长壁一次采全高大采高开采技术，全部垮落法管理顶板。煤层倾角3°-7°，属近水平煤层。
2.支架工作阻力计算
支架工作阻力计算方法有：经验估算法、顶板分类计算法、“砌体梁”理论计算法和动载荷计算法等。本文针对15208工作面具体情况，对应用于4.5m采高的液压支架工作阻力可靠性进行验证。
2.1 经验估算法计算
2.3 根据“砌体粱”理论计算
“砌体粱”理论认为支架承受的载荷一部分来自支架上方垮落的直接顶重量，采场上覆岩层老顶破断后能够形成结构，另一部分来自老顶破断岩块结构失稳时形成的载荷。因此，支架工作阻力P为支架控顶范围内直接顶的重量Q1、老顶岩块结构失稳时作用于支架上的力F以及老顶上方岩层的作用力Q2三者之和[3]。因此支架工作阻力P为：
其中，直接顶垮落作用于支架上的力，老顶结构滑落失稳时的作用力），老顶上方随动岩层作用力。
研究结果显示，在煤层上方有多组岩层的情况下可能同时存在多组关键层。作为关键层的老顶对其上非关键层岩层的运动起着关键作用，这些老顶之上至距老顶最近的关键层之下的岩层对老顶的作用力称之为随动岩层作用力[2]。
式中：∑h——直接顶厚度，3.4m；L——支架控顶距，4.0m；γ——顶板岩层容重，取25kN/m3；B——支架中心距宽度，1.55m；β——煤层倾角，平均为4°；h1——随动岩层厚度；LB——B岩块的长度即周期来压步距，取15m；H——老顶岩层厚度，3m；δ——B岩块的下沉量；□——岩块的内摩擦角；θ——岩块的破断角。
代入以上数据，计算支架工作阻力为P=4376N。
2.4 动载荷方法计算
该方法研究基于“砌体梁”理论，认为当老顶岩块结构失稳时，老顶岩块及上覆载荷突然作用在直接顶上，老顶岩块对直接顶形成一种冲击载荷，并通过直接顶传递到支架上。因此支架的工作阻力P为控顶距范围内直接顶的重量与老顶岩块失稳时对支架的冲击载荷作用力之和[4]。计算公式如下：
式中：Kd——动载系数，根据该工作面赋存地质条件，取1.6；Q1——直接顶重量；Q2——老顶重量；①直接顶作用力：，②老顶作用力：；∑h——直接顶厚度，3.4m；L——支架控顶距，4.0m；γ——上覆岩层容重，25kN/m3；B——支架中心距宽度，1.55m；β——煤层倾角，平均为4°；LB——B岩块的长度，取周期来压步距15m；H——老顶岩层厚度，3m。
因此，根据动载荷方法计算支架工作阻力P=4769N。
3.支架工作阻力计算方法比较
对四种方法所得到的计算结果比较分析，其结果虽然基本在一个较合理的范围内，但是每种计算方法都有各自特点：
（1）经验估算法
采用这种方法简单易行，应用较广泛，但是由于岩层碎胀系数K不容易精确得到，计算结果往往由于K值的不同取值，造成较大的偏差。此外这种传统的方法比较适用于以前采高较小的煤层，而对于采高大的工作面，其可行性有待研究。
（2）顶板分类法
顶板分类法是一种由工作人员进行大量的统计分析得出经验计算公式，虽然计算结果相差不大，适合于一般的大采高工作面，但对于有着特殊开采条件的工作面，其适应性不够充分。
（3）“砌体梁”理论计算法
此种计算方法依据“砌体量”理论进行计算，且也得到公认，不过这种“砌体梁”结构在较小采高工作面顶板岩层中能够形成，但是采高较大的工作面顶板岩层中不一定能形成，而且关键块的长度不容易确定，计算起来也很复杂。
（4）动载荷计算法
该方法是基于“砌体梁”理论，针对大采高工作面提出的，计算的关键在于确定老顶来压步距LB、老顶载荷以及动载荷系数Kd。载荷层厚度可由岩层控制的“关键层”理论求出，动载荷系数根据直接顶与老顶的岩性确定，该方法动载荷系数确定困难，计算偏差较大。
4.结论
根据5号煤层的开采条件，目前15208工作面所采用的设计选用的液压支架型号为ZZ5200/25/50，工作阻力5200KN，四种计算方法的结果中，采用动载荷法计算的支架最大工作阻力4769kN/架，相当于支架额度工作阻力的92%。因此可以断定，ZZ5200/25/50，型液压支架能够满足15208工作面顶板支护强度要求。
综合比较四种方法的特点及适应性，结合15208工作面支架工况特性，可以得出大采高工作面支架工作阻力以动载荷为主，传统的以“静载荷法”为主计算液压支架的工作阻力不能更好的适用于大采高工作面，而“动载荷法”则更能合理确定大采高工作面支架工作阻力。
参考文献
[1] 杨宝贵等，上湾矿7m特厚煤层大采高开采支架工作阻力的确定，煤炭工程[J]，2011（7），6～8.
[2] 闫少宏.特厚煤层大采高综放开采支架外载的理论研究[J].煤炭学报，2009，34（5）：590～593.
[3] 孔德中，任志成，耿华乐.大采高工作面支架工作阻力的合理确定[J].煤矿安全，2014，07：163-165+168.
[4] 王家臣，厚煤层开采理论与技术，冶金工业出版社[M].北京，2009.
作者简介
杜坦，（1988—），男，安徽萧县人，2012年毕业于辽宁工程技术大学采矿工程专业，就职于淮南矿业集团潘二矿，从事采场、巷道矿压控制相关工作。