黑梁煤礦綜采工作面液壓支架選型設(shè)計(jì)研究

高小峰 孔 杰 薛華俊 張紹民

(1．大地工程開發(fā)(集團(tuán))有限公司礦山設(shè)計(jì)研究院，北京100102; 2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

1 工程概況

黑梁煤礦隸屬新礦內(nèi)蒙古能源有限責(zé)任公司，是由新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司投資建設(shè)的年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為180萬t的現(xiàn)代化礦井。黑梁井田位于鄂爾多斯上海廟礦區(qū)、西區(qū)石炭二疊系成煤區(qū)的最西部，地處于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗境內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬鄂托克前旗新上海廟鎮(zhèn)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(biāo)為:東經(jīng) 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(chǎn)采區(qū)為首采區(qū)，該采區(qū)賦存煤層有1煤、5-1煤、5-2煤、5煤、9煤和10煤。首采區(qū)各煤層的理論生產(chǎn)能力如表1所示。

表1 首采區(qū)各煤層生產(chǎn)能力表

從表1可以看出，礦井先期開采的1煤煤層生產(chǎn)能力為36萬t～45萬t，5-1煤煤層生產(chǎn)能力為140萬 t～175萬 t，礦井要達(dá)到1．80 Mt/年的年生產(chǎn)能力，需要1個(gè)1煤工作面和1個(gè)5-1煤工作面兩個(gè)工作面。而當(dāng)開采5煤或者9煤時(shí)，僅需1個(gè)工作面即可達(dá)到年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。根據(jù)煤層可采邊界和煤層壓覆壓差關(guān)系，考慮到采區(qū)回采工作面的接續(xù)關(guān)系，首采區(qū)的達(dá)產(chǎn)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(hù)式和支撐掩護(hù)式等三種形式，一般常用的主要有掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式兩種類型。支撐掩護(hù)式液壓支架具有穩(wěn)定性好、支撐能力大、通風(fēng)斷面大、切頂能力強(qiáng)和抗水平推力較強(qiáng)、底板比壓較均勻、對(duì)底板適應(yīng)性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但該架型也存在著結(jié)構(gòu)和控制復(fù)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(duì)于掩護(hù)式支架尤其是大采高液壓支架，支撐掩護(hù)式支架體積較大，噸位較重，成本稍高一些。掩護(hù)式液壓支架主要以掩護(hù)采空區(qū)冒落的矸石為主，對(duì)機(jī)道上方的頂板支撐為輔，對(duì)破碎頂板有一定的適應(yīng)性。該架型具有支架掩護(hù)性和穩(wěn)定性較好、調(diào)高范圍大，簡(jiǎn)化了支架結(jié)構(gòu)、提高了工作阻力利用率，移架速度快，易于實(shí)現(xiàn)電液控制等優(yōu)點(diǎn);同時(shí)支架噸位和重量方面優(yōu)于支撐掩護(hù)式架型，尤其是大采高綜采工作面，往往均采用掩護(hù)式架型。但該架型支架還存在著一些不足:掩護(hù)式支架對(duì)泥巖底板適應(yīng)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(jù)以上液壓支架架型的分析，結(jié)合黑梁煤礦各煤層的特點(diǎn)及頂?shù)装鍘r性，設(shè)計(jì)本著“性能可靠、經(jīng)驗(yàn)成熟、故障率低”的設(shè)備選型原則，推薦薄煤層采用掩護(hù)式支架、中厚煤層采用支撐掩護(hù)式架型，待開采9煤采用大采高綜采時(shí)，推薦選用掩護(hù)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(jié)構(gòu)推薦采用掩護(hù)式。2)5煤組頂?shù)装鍘r性為軟弱巖類，巖石最大抗壓強(qiáng)度為30 MPa，選用支撐掩護(hù)式支架，其穩(wěn)定性好，對(duì)于軟煤巖工作面，可以通過拉超前支架、追機(jī)移架的方式對(duì)頂板進(jìn)行超前維護(hù)和及時(shí)維護(hù)，防止工作面冒頂事故的發(fā)生。3)支撐掩護(hù)式支架對(duì)底板比壓均勻，對(duì)于軟巖底板有較強(qiáng)的適應(yīng)性。避免了掩護(hù)式支架移架鉆底，以及因鉆底而前梁降低，造成煤機(jī)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(hù)式液壓支架通風(fēng)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(hù)式架型對(duì)工作面頂板的支護(hù)比掩護(hù)式架型在支護(hù)強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性方面更有優(yōu)勢(shì)。

大采高液壓支架選擇掩護(hù)式架型的主要理由如下:1)大采高掩護(hù)式液壓支架相對(duì)于支撐掩護(hù)式液壓支架少兩個(gè)立柱，重量輕。ZZ10000-22/45型支撐掩護(hù)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(duì)于立井提升、采區(qū)上、下山提升設(shè)備的選擇較為有利。2)從煤層頂?shù)装鍘r性分析，9煤頂板為灰?guī)r，屬半堅(jiān)硬巖類，巖性較好，工作面頂板容易控制。3)大采高掩護(hù)式液壓支架易實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)支架整體下井的需要，在液壓之間選型時(shí)，頂梁的選取應(yīng)優(yōu)先選用鉸接頂梁，以減少大采高液壓支架的外形尺寸，適應(yīng)副立井大罐籠下井。

3 液壓支架結(jié)構(gòu)高度的確定

設(shè)計(jì)根據(jù)首采區(qū)先期開采的1煤、5-1煤回采工作面的支架結(jié)構(gòu)高度進(jìn)行計(jì)算。支架最大結(jié)構(gòu)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(duì)薄煤層或頂板穩(wěn)定，取下限，對(duì)厚煤層或頂板中等穩(wěn)定以下，取上限。支架最低結(jié)構(gòu)高度Hmin為滿足頂板下沉量、與采煤機(jī)的配套以及整架運(yùn)輸?shù)纫?，可以根?jù)具體情況，分別計(jì)算。一般情況下，Hmin=Mmin－S－a，其中，Mmin為采煤機(jī)最小采高，m;S 為在控頂區(qū)范圍內(nèi)頂板的最大下沉量，m;a為支架卸載前移時(shí)的可縮余量，一般取0．05 m。對(duì)于一般情況，支架的最小結(jié)構(gòu)高度應(yīng)比最小采高小0．2 m ～0．35 m，即 Hmin≤Mmin－ (0．2 ～ 0．35)，m［4，5］。根據(jù)首采區(qū)煤層賦存情況和選擇的采煤機(jī)情況，1煤綜采工作面液壓支架的支護(hù)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(jì)算支架強(qiáng)度 P=(9～11)M·γ×9．8×10－3，其中，P為支架支護(hù)強(qiáng)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(tǒng)計(jì)類比法計(jì)算支架工作阻力，其中，P 為支架支護(hù)強(qiáng)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(shù)，取1．3;n為考慮老頂周期來壓不均衡的安全系數(shù)，取2．2，則 P=0．19/0．32。經(jīng)計(jì)算，綜采液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度不小于0．37 MPa。

通過以上支架支護(hù)強(qiáng)度的計(jì)算和支架架型的選擇，結(jié)合該附近煤礦工作面礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)確定推薦選用液壓支架參數(shù)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(hù)強(qiáng)度為0．73 MPa ～0．98 MPa，泵站壓力為 31．5 MPa。

5 結(jié)語

針對(duì)黑梁煤礦不同地質(zhì)情況的煤層，選擇了合理的液壓支架類型，在整個(gè)回采過程中，沒有發(fā)生任何重大安全事故，保證了綜采工作面頂?shù)装宓陌踩ёo(hù)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)礦井的高產(chǎn)高效，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯，為保障黑梁煤礦的年產(chǎn)量作出了巨大的貢獻(xiàn)。

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

［2］ 李大慶．淺析液壓支架選型的基本依據(jù)及原則［J］．科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，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(jì)算［J］．煤炭技術(shù)，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(yīng)用［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(11):91-93．

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