黑梁煤礦綜采工作面液壓支架選型設計研究

高小峰 孔 杰 薛華俊 張紹民

(1．大地工程開發(集團)有限公司礦山設計研究院，北京100102; 2．中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

1 工程概況

黑梁煤礦隸屬新礦內蒙古能源有限責任公司，是由新汶礦業集團有限責任公司投資建設的年設計生產能力為180萬t的現代化礦井。黑梁井田位于鄂爾多斯上海廟礦區、西區石炭二疊系成煤區的最西部，地處于內蒙古自治區鄂托克前旗境內，行政區劃隸屬鄂托克前旗新上海廟鎮管轄。該井田東距鄂托克前旗約70 km，南距磁窯堡煤礦26 km，西南距銀川市40 km;地理坐標為:東經 106°32'36″～106°34'22″，北緯 38°18'14″～38°21'30″。

黑梁煤礦采用下行開采順序。移交生產采區為首采區，該采區賦存煤層有1煤、5-1煤、5-2煤、5煤、9煤和10煤。首采區各煤層的理論生產能力如表1所示。

表1 首采區各煤層生產能力表

從表1可以看出，礦井先期開采的1煤煤層生產能力為36萬t～45萬t，5-1煤煤層生產能力為140萬 t～175萬 t，礦井要達到1．80 Mt/年的年生產能力，需要1個1煤工作面和1個5-1煤工作面兩個工作面。而當開采5煤或者9煤時，僅需1個工作面即可達到年設計生產能力。根據煤層可采邊界和煤層壓覆壓差關系，考慮到采區回采工作面的接續關系，首采區的達產工作面分別布置在下山的兩翼，即北翼的1煤工作面和南翼的5-1煤工作面。

2 液壓支架形式的選擇

綜采工作面液壓支架主要分為支撐式、掩護式和支撐掩護式等三種形式，一般常用的主要有掩護式和支撐掩護式兩種類型。支撐掩護式液壓支架具有穩定性好、支撐能力大、通風斷面大、切頂能力強和抗水平推力較強、底板比壓較均勻、對底板適應性較強等優點。但該架型也存在著結構和控制復雜、前后立柱受力不均衡以及工作阻力利用率低等問題，另外相對于掩護式支架尤其是大采高液壓支架，支撐掩護式支架體積較大，噸位較重，成本稍高一些。掩護式液壓支架主要以掩護采空區冒落的矸石為主，對機道上方的頂板支撐為輔，對破碎頂板有一定的適應性。該架型具有支架掩護性和穩定性較好、調高范圍大，簡化了支架結構、提高了工作阻力利用率，移架速度快，易于實現電液控制等優點;同時支架噸位和重量方面優于支撐掩護式架型，尤其是大采高綜采工作面，往往均采用掩護式架型。但該架型支架還存在著一些不足:掩護式支架對泥巖底板適應性差，底板比壓不均勻，尤其是遇到軟巖底板，支架底座前端易鉆底，降低了移架速度［1-3］。

根據以上液壓支架架型的分析，結合黑梁煤礦各煤層的特點及頂底板巖性，設計本著“性能可靠、經驗成熟、故障率低”的設備選型原則，推薦薄煤層采用掩護式支架、中厚煤層采用支撐掩護式架型，待開采9煤采用大采高綜采時，推薦選用掩護式液壓支架。主要理由如下:1)首采1煤屬薄煤層，采高較小，為減少支架結構推薦采用掩護式。2)5煤組頂底板巖性為軟弱巖類，巖石最大抗壓強度為30 MPa，選用支撐掩護式支架，其穩定性好，對于軟煤巖工作面，可以通過拉超前支架、追機移架的方式對頂板進行超前維護和及時維護，防止工作面冒頂事故的發生。3)支撐掩護式支架對底板比壓均勻，對于軟巖底板有較強的適應性。避免了掩護式支架移架鉆底，以及因鉆底而前梁降低，造成煤機割超前支架前梁等方面的缺陷。4)中厚煤層采高一般在3．5 m以下，采用支撐掩護式液壓支架通風斷面大，有利于工作面瓦斯的稀釋和降塵。5)本礦井埋藏較深，回采工作面頂板的壓力隨著開采深度的增加而增大，選擇支撐掩護式架型對工作面頂板的支護比掩護式架型在支護強度和整體穩定性方面更有優勢。

大采高液壓支架選擇掩護式架型的主要理由如下:1)大采高掩護式液壓支架相對于支撐掩護式液壓支架少兩個立柱，重量輕。ZZ10000-22/45型支撐掩護式支架整體重量35．5 t(整體頂梁)，而選用ZY10000-22/45型支架，整體重量可降為30 t左右。支架噸位的減少對于立井提升、采區上、下山提升設備的選擇較為有利。2)從煤層頂底板巖性分析，9煤頂板為灰巖，屬半堅硬巖類，巖性較好，工作面頂板容易控制。3)大采高掩護式液壓支架易實現電液控制支架操作，提高了移架速度。

需要說明的是為減少大采高液壓支架的外形尺寸，實現支架整體下井的需要，在液壓之間選型時，頂梁的選取應優先選用鉸接頂梁，以減少大采高液壓支架的外形尺寸，適應副立井大罐籠下井。

3 液壓支架結構高度的確定

設計根據首采區先期開采的1煤、5-1煤回采工作面的支架結構高度進行計算。支架最大結構高度Hmax=Mmax+S1，其中，Mmax為煤層最大采高;S1為偽頂或浮煤冒落厚度，取0．1 m～0．3 m，對薄煤層或頂板穩定，取下限，對厚煤層或頂板中等穩定以下，取上限。支架最低結構高度Hmin為滿足頂板下沉量、與采煤機的配套以及整架運輸等要求，可以根據具體情況，分別計算。一般情況下，Hmin=Mmin－S－a，其中，Mmin為采煤機最小采高，m;S 為在控頂區范圍內頂板的最大下沉量，m;a為支架卸載前移時的可縮余量，一般取0．05 m。對于一般情況，支架的最小結構高度應比最小采高小0．2 m ～0．35 m，即 Hmin≤Mmin－ (0．2 ～ 0．35)，m［4，5］。根據首采區煤層賦存情況和選擇的采煤機情況，1煤綜采工作面液壓支架的支護高度為0．9 m～2．0 m。南翼5煤工作面的支架高度為1．4 m ～2．8 m。

4 液壓支架支撐阻力的確定

1)按估算法計算支架強度 P=(9～11)M·γ×9．8×10－3，其中，P為支架支護強度，MPa;M為工作面平均采出煤厚，m;γ為頂板煤巖石容重，平均取 2．5 t/m3，則 P=0．23/0．37。2)按統計類比法計算支架工作阻力，其中，P 為支架支護強度，MPa;M為最大采高，m;γ為煤層頂板巖石容重，取2．5 t/m3;K為頂板巖石碎脹系數，取1．3;n為考慮老頂周期來壓不均衡的安全系數，取2．2，則 P=0．19/0．32。經計算，綜采液壓支架的支護強度不小于0．37 MPa。

通過以上支架支護強度的計算和支架架型的選擇，結合該附近煤礦工作面礦壓觀測數據，設計確定推薦選用液壓支架參數為:1)薄煤層綜采工作面采用中心距1 500 mm的帶防倒防滑裝置的ZY5600/09/20D型液壓支架;2)中厚煤層綜采工作面采用帶防倒防滑裝置的ZZS6400-/14/28型液壓支架，工作阻力為6 400 kN，支護強度為0．73 MPa ～0．98 MPa，泵站壓力為 31．5 MPa。

5 結語

針對黑梁煤礦不同地質情況的煤層，選擇了合理的液壓支架類型，在整個回采過程中，沒有發生任何重大安全事故，保證了綜采工作面頂底板的安全支護，實現了整個礦井的高產高效，經濟效益和社會效益明顯，為保障黑梁煤礦的年產量作出了巨大的貢獻。

［1］ 郭朋星，趙 輝．大采高液壓支架選型及適應性分析［J］．煤炭技術，2010，29(12):4-6．

［2］ 李大慶．淺析液壓支架選型的基本依據及原則［J］．科技情報開發與經濟，2009，19(13):216-217．

［3］ 徐萬軍，王愛文．通安煤礦綜采工作面液壓支架選型與計算［J］．煤炭技術，2008，27(12):22-24．

［4］ 張 健，馬良慧，丁小敏．硯北煤礦厚煤層綜放面液壓支架選型與應用［J］．煤炭科學技術，2011，39(11):91-93．

［5］ 劉瑞生．準大采高綜放工作面液壓支架選型設計［J］．煤礦開采，2007，12(5):25-27．