淺埋煤層鏈懸拼梁式液壓支架應用研究

麻清林

（山西新景礦煤業有限公司調度室， 山西 陽泉 045000）

引言

目標井田地表主要為第四系黃土，井田地層由上至下分別為第三系上統三趾馬組、侏羅系中統延安組、侏羅系下統富縣組及三迭系上統永坪組。礦區走向為北東方向，傾向方向為西北方向，煤層傾角小于5°，地質構造類型為單斜構造，整體地層結構不存在較大的斷層及褶皺，構造結構簡單。

整個井田范圍內可采煤層為3層，煤層呈圓形均勻分布于礦井的西南區域及中間區域，煤層厚度為2m，整個煤層自西向東逐漸變薄。試驗所選取的煤層為2號煤層，此煤層屬于結構較為簡單的中厚煤層，煤層厚度在2.2～2.5m之間，煤層平均厚度為2.3m。此煤層目前的開采方式為間歇式開采，存在支架支護不穩定及工作面位置不固定等問題。本研究選用鏈懸拼梁式液壓支架全部垮落法處理煤層，同時在開采過程中配合使用強制放頂，目的在于提高采出率，因此需要對支架的支護強度進行較為詳細的研究[1]。

1 模型建立

1.1 模型建立

試驗選取的模型根據相似模擬實驗的要求進行搭建，模型以沙土為搭建骨料，碳酸鈣及石膏為黏結材料，將兩者均勻混合后通過水混合備用，混合后的材料分層鋪設于模型中，每層間添加云母粉模擬各層的分界。實驗選取的模型架寬度為0.2m，長度為5m。建立的模型如圖1所示。

1.2 模擬結果

模擬結果顯示，在工作面推進過程中，工作面推進180m的過程中，共出現9次周期來壓的情況，其中每次來壓的平均步距為13.2m；而在強制放頂的情況下，工作面在推進165m的過程中共出現6此周期來壓的情況，單次來壓的平均步距為15.7m。周期來壓增載系數在正常開采情況下為2.33，強制放頂情況下僅為1.41。在進行試驗的過程中，正常開采時，由于工作面頂板的動載系數較大，支架容易出現被壓死的情況，從而導致支架達不到支護所需的強度值；而在強制放頂的工況條件下，由于支架的動載系數小，因此在發生周期來壓時不會出現切頂的情況，結果表明，合理的頂板控制措施能夠有效防止頂板出現冒落等安全事故[2]。

圖1 實驗模型圖

2 鏈懸拼梁式液壓支架現場應用

根據相似模擬的實驗結果，結合該煤礦的煤層賦存情況及地質條件，通過分析各類支護機械設備的性能，最終選擇鏈懸式液壓支架完成工作面的支護工作，頂板處理方式為一次采全高垮落法。支架的結構組成：支架支護高度為1.6～4.0m，支架的寬度為1.2m，支架頂梁長為3.1m，各支柱的中心距離為1.2m，支架自身的支護阻力為4 000 kN，初撐力為3 500 kN。

此液壓支架的具體特征包含以下幾個方面：

1）支架可以在短時間內滿足初撐力的要求。支架支柱的中心距離為1.2m時，以相鄰的支架作為移架的支點，支架的前移通過鏈條的懸吊實現，每次換鏈完成一次過斷層。這一移架措施是保障支架中所有支柱達到初撐力的關鍵[3]。

2）在支護過程中，頂梁被劃分為兩個大小不等的區域，其中，具有大支護阻力的頂梁支撐在小頂梁上，支護阻力較小的普通支柱支護在大頂梁下，有效解決了目前支護工作中存在的頂板管理困難的問題。

3）閉鎖功能。支架頂梁的周圍均安裝配備特定閥的油缸，當支架出現頂空的情況或支柱卸載時，支架仍能承受較大的水平力。同時，當支架處于采高較大及傾角較大的情況下，仍能夠保持較好的穩定性。

4）調整位置[4]。此類型支架本身安裝有調架裝置，在支架的推移過程中可以通過調整操作支架實現支架移動方向的改變，當在傾角較大的工作面時，可以將支架橫向安裝，有效避免了調整所需時間及支架向下移動擁擠的問題[5]。

3 工程應用

為驗證支架的適應性，選取2號煤層某工作面作為實驗工作面，工作面煤層平均厚度為2.3m。頂板的處理方式為全部垮落法，選取的支架類型為鏈懸拼梁型液壓支架，采煤方法為炮采。試驗工作面長度為85m，工作面沿走向方向推進，持續推進長度為700m。整個工作面共設置60臺液壓支架，液壓支架的具體型號為ZH4000/17型，放頂方式為強制放頂。強制放頂分別在15m、20m、40m三個位置進行，當頂板不出現周期來壓現象時，在50m處進行第四次強制放頂，85m長的工作面共設置5組密集深孔，每組包含三個孔，各孔的仰角分別為30°、60°、80°，孔深分別為 10m、13m、15m，強制放頂結束后工作面出現初次來壓。

從50m采位開始，位于工作面中間部位的頂板隨著液壓支架的移架逐漸自行垮落，每移動兩次支架完成一次頂板的垮落，垮落的高度在5～8m之間。但在一般生產條件下，懸露頂板長度一般不超過3m。因此，關于頂板的處理方式大多選用打鉆孔強制放頂，每移動5次支架進行一次放頂操作，同時在頂板鉆采2～3個深度為10 m左右，傾斜角度為30°左右的鉆孔。

試驗工作面整個推進過程流暢，煤炭的采出率可達90%，工作過程中單臺液壓支架的最大工作阻力為1 700 kN，此阻力值相當于支架額定工作阻力的41%，此阻力值出現在工作面60m處。當頂板出現初次來壓時，支架的壓力顯現值為3 600 kN，排除強制放頂對各別位置支架阻力影響外，其余各支架的最大工作阻力均未超過其最大值。其中，整個工作面內的平均工作阻力為1 500 kN，僅為額定工作阻力的35%，工作面中最大工作阻力為2 800 kN，為額定工作阻力的68%，且當工作面推進至65m位置時才出現初次來壓。試驗結果表明，此類型液壓支架配合使用強制放頂，在頂板出現周期來壓時能夠穩定運行，有效承受初次來壓的沖擊，能夠有效滿足工作面支撐要求。

4 結論

1）相似模擬試驗結果表明，當工作處理頂板的處理方式為強制放頂時，液壓支架的支護強度降低。

2）鏈懸拼梁式液壓支架能夠有效完成支護過程中的鎖架、調架及柔性連接等功能，同時，配合強制放頂之后，這一支架類型能夠有效滿足淺煤層的開采要求。

3）鏈懸拼梁式液壓支架在試驗工作面的成功應用，有效提高了工作面采出率，同時有效改善了工作面的頂板支護情況，為進一步改善工作面的支護方式提供了理論及實踐指導。