大傾角特厚煤層綜放工作面液壓支架選型設計

閆建軍

（山西鄉寧焦煤集團申南凹焦煤有限公司， 山西 臨汾 042105）

引言

在三機選型方面，液壓支架是選型的重點，而影響液壓支架選型的因素有很多，最重要的是地質因素和開采技術因素。地質因素包括：頂底板巖性、煤層厚度及傾角和煤層賦存狀況等。其中煤層傾角的影響較大，因為當煤層傾角大于25°時，工作面垮落矸石會向下形成不均勻充填特征，加之底板也會出現破壞滑移，共同作用引起工作面支護系統失穩；而且當傾角大于35°時，工作面各設備都會有不同程度的滑移，特別是液壓支架極易發生下滑和傾倒狀況。因此對于大傾角煤層走向長壁工作面而言，液壓支架的選型與設計是“三機”配套的重中之重[1]。

1 工程背景

某礦為大型現代化機械礦井，礦井位于寧武縣城西，生產能力為1.2Mt/年，井田內主要可采煤層為2號、5號兩層煤，煤層平均角度為25°以上，局部地區達30°以上。本文針對5號煤進行支架選型，5號煤層厚度為8.46～16.84m，平均為13.78m，頂板多為細—中粒砂巖，局部為粗粒砂巖、粉砂巖、砂質泥巖和泥巖，底板多為砂質泥巖、泥巖和細粒砂巖，局部為粉砂巖，屬堅硬頂板條件下的傾斜-緩傾斜煤層。根據設計所確定的采煤方法，5號煤采用綜合機械化放頂煤開采。

2 工作面基本液壓支架選型設計

2.1 基本液壓支架形式的確定

該礦5號煤層采用走向長壁綜采放頂煤開采采煤方法，煤層傾角為25°，煤層硬度系數0.8，煤層裂隙發育程度2類。根據工作面條件，液壓支架應選用支撐掩護式架型，放煤方式適于選用低位放煤，工作面基本架選用正四連桿式，過渡架選用反四連桿式。

2.2 基本液壓支架高度的確定

2.2.1 支架最大高度

式中：HZmax為支架最大支護高度，mm；

2.2.2 支架最小高度

式中：HZmin為工作面最小支護高度，mm；Mmin為工作面最小采高；S2為頂板下沉量，200mm；g為頂梁上、底座下的浮矸厚度，取50mm；e為移架時支架回縮量，取100mm。

根據以上各參數和不同采放比，計算液壓支架的最大高度和最小高度[2]。

2.3 基本液壓支架支護強度和工作阻力的確定

根據支架支護強度經驗公式確定的結果，該礦5號煤層基本液壓支架支護強度應不小于0.95MPa。

計算時一般支架采用1.5m中心距，大采高工作面支架中心距可采用1.75m。現分別對支架中心距1.5m和1.75m兩種支架進行對比：

式中：P為支架工作阻力，kN；q為支架的支護強度，0.95 MPa；Lk為端面距取 0.3 m；Ld為頂梁長度取4.63/4.885m；B 為支架中心距，1.5/1.75m；Ks為支架支撐效率，1。

經計算支架中心距為1.5m和1.75m的兩種支架工作阻力分別為7 025 kN和8 570 kN，查表分別選用ZF7800/19/38和ZF8600/19/38四柱支撐掩護式正四連桿大插板低位放頂煤液壓支架。

2.3.1 ZF7800/19/38型放頂煤液壓支架技術參數

該礦5號煤層工作面傾斜長度按150m考慮，普通支架采用中心距為1.5m，過渡支架采用中心距為1.75m，7架“頭三尾四”布置方式，布置ZF7800/19/38型基本架93架。基本架技術參數詳見下頁表1。

2.3.2 ZF8600/19/38型放頂煤液壓支架技術參數

該礦5號煤層工作面傾斜長度按150m考慮（煤壁對煤壁），采用中心距為1.5m的普通支架和中心距為1.75m的過渡支架，7架“頭三尾四”布置方式，布置ZF8600/19/38型基本架80架。基本架技術參數詳見表2，架型結構與ZF7800/19/38型支架除寬度不同外其余結構大致相同。

表1 ZF7800/19/38型基本液壓支架結構參數

表2 ZF8600/19/38型基本液壓支架結構參數

2.3.3 方案對比

在基本液壓支架支護強度不小于0.95MPa的基礎上，通過ZF7800/19/38型和ZF8600/19/38支架參數對比可看出：ZF7800/19/38型液壓支架寬度小，穩定性差，質量較小，工作面咬架、倒架時調節方便，運輸方便，但需要總架數多，工作面管理復雜；ZF8600/19/38型液壓支架寬度大，穩定性好，質量大，工作面咬架、倒架時調節困難，運輸不方便，但需要總架數少，工作面管理簡單。綜合考慮，對于基本支架，選用ZF7800/19/38型液壓支架[3-4]。

3 工作面端頭液壓支架選型設計

由于大傾角工作面液壓支架端頭受力較為復雜，下端頭又是大型設備交匯的地方，加之較厚的浮煤、浮矸導致其工作條件惡劣，且又是出煤部位，因此應重點對端頭支架架型及結構參數進行優化設計。

經過分析對比，三架一組支護方式相對于兩架一組支護方式，最大的優點是端頭支架穩定性較好。因此端頭支架選用三架一組支護方式，本端頭移架方式為采兩刀移一次架。

3.1 端頭液壓支架高度

根據工作面通風、行人、頂板管理、合理采放比及總體相關設備配套等要求，同時必須考慮大傾角工作面端頭后部與下運輸平巷交匯處三角區頂板（煤）的支護和便于頂板管理、及時移架，避免運輸平巷與煤壁片幫和架前冒頂等情況，最終確定端頭放頂煤液壓支架高度為2 100～3 800mm[5]。

3.2 端頭液壓支架支護強度和工作阻力

根據總體設計配套的要求，考慮支護強度系數，確定液壓支架的支護強度應不小于0.54MPa。支架的支護強度確定后，根據配套尺寸，確定支架的頂梁長度。端頭支架支護基本是在順槽里，可以不考慮控頂距Lk=0，確定支架的工作阻力：

式中：P為支架工作阻力，kN；q為支架的支護強度，0.54MPa；Lk為端面距，取 0；Ld為頂梁長度，取 10.75m；B為支架寬度，3.35m；

代入值可以得：P=19 447 kN，整靠標準系列取P=21 600 kN。因此，端頭支架采用三架一組ZT21600/21/38型中置式放頂煤端頭液壓支架，端頭支架結構參數詳見表3。

表3 端頭液壓支架結構參數

4 工作面過渡液壓支架選型設計

根據目前大傾角煤礦綜放開采過渡液壓支架選型結果以及調研資料，經過配套研究，過渡液壓支架架型確定為反四連桿架型，支架高度為2 100～3 800 mm。過渡支架選用7架ZFG8600/21/38型放頂煤過渡液壓支架，采用“頭三尾四”布置方式，過渡支架結構參數詳見表4。

表4 過渡液壓支架結構參數

5 結論

通過理論計算類比等方法，最終確定：

1）基本液壓支架選用ZF7800/19/38型液壓支架；

2）端頭液壓支架采用三架一組ZT21600/21/38型中置式放頂煤端頭液壓支架；

3）過渡液壓支架選用7架ZFG8600/21/38型放頂煤過渡液壓支架，采用“頭三尾四”布置方式。