綜采工作面支架適應性分析

張曉劍

（同煤集團永煤公司， 山西 大同 037000）

引言

煤礦作為我國現階段主要能源，存儲量豐富，在我國化石能源中煤炭資源占比94%[1]。雖然近幾年其他新能源利用比率不斷提升，但在目前及今后一段時間內，煤炭仍將對國民經濟的發展起著及其重要作用[2-4]。研究分析我國能源資源結構比例可知，煤炭作為主要能源，占據70%以上的一次能源需求[5]。但同時給煤炭安全生產提出更高要求，據統計我國的煤炭產量中只有約1/3為科學產能[6]，這就需要對煤礦安全高效開采進行深入研究。本文所研究的煤層地質條件較為復雜，開采過程中經常出現架前冒頂、支架壓架、煤壁片幫等現象，嚴重影響回采速度。回采速度緩慢又會帶來巷道維護困難、防火工作難度加大等一系列的不安全因素。

1 工作面支架簡介

永煤礦工作面支架選用型號為ZF3000/17/28支撐掩護式液壓支架，具體參數見表1，工作面支架控頂距如圖1所示。支架頂梁前后端距離為3 542 mm，加長梁長度為1 200 mm，加長梁露出煤壁距離為600 mm，支架后柱到頂梁尾部尺寸為415 mm，前后立柱間距離為1 000 mm。

2 工作面支架適應性分析

2.1 工作面初撐力頻率分布

采煤層支架在循環移架過程中，當支架移動到新的工作位置后，泵站供油使得支架升起重新接頂達到支護要求，此時支架內部的壓力稱為支架初撐力。支架初撐力的大小對工作面頂板的安全性具有重要影響，初撐力過小會嚴重降低工作面安全性，出現頂板壓力過大時會導致立柱迅速下降，造成突發事故概率增大。下頁圖2所示為該工作面支架整體初撐力的頻率直方圖。從圖可以看出，液壓初撐力主要分布在0～1 600 kN范圍內，所占比例達到74%，0～2 000 kN范圍內，初撐力占比達99%。通過計算分析其平均初撐力為1 273.23 kN，只為額定初撐力的50.28%，可以得出該工作面支架初撐力偏低，存在一定安全隱患。

表1 ZF3000/17/28支架參數表

圖1 支架受力模型圖（單位：mm）

2.2 支架時間加權阻力頻率分析

為了研究各支架利用效率，對該工作面支架的加權阻力進行統計。通過對礦壓觀測期的觀測統計，得到工作面各液壓支架加權阻力頻率，具體統計見下頁表2。

圖2 支架初撐力頻率直方圖

表2 加權阻力頻率統計表

通過對上述數據分析可知，該工作面各支架工作阻力分布出現偏載現象。對于25號支架出現33%的統計量超出支架額定工作阻力，65號支架出現63%的統計量超出支架額定工作阻力；而在2 520～3 000 kN范圍內，25號～85號支架都占有部分統計比，85號支架占比高達56%，在來壓期間將會有一定支架工作阻力超出其額定工作阻力。從以上統計結果可知，該工作面所選支架額定工作阻力偏小，不能有效保證工作面安全生產，并且有很大的安全隱患。

2.3 工作面支架偏載研究

通過對工作面各支架前立柱、后立柱所受工作阻力進行分析研究，可以更加明顯發現支柱受力情況。圖3—圖5所示為15號、65號、85號支架受力情況圖。

從各支架支護強度圖可以發現，該工作面存在支架偏載現象，15號支架前立柱工作阻力大于后立柱阻力；65號支架則偏載較為嚴重，后立柱幾乎受力為零；85號支架前后支柱工作阻力大致相同。

3 工作面支架受力模型建立

根據圖6所示的支架受力模型圖，分析其受力情況。具體參數如下：前立柱與后立柱間的距離為1 000 mm，頂梁尾部到支架后立柱的距離為450 mm，頂梁前段到后端距離為3 542 mm，加長梁前端煤壁露出長度為600 mm。F1為支架前柱受力大小，F2為支架后柱受力大小，F3為煤壁對加長梁的作用力。分析過程中假設支架頂部受均布載荷q，則支架在支柱、煤壁支撐力、頂部覆巖層載荷作用下受力平衡，其受力示意圖如圖7所示。

圖3 15號支架支護強度

圖4 65號支架支護強度

圖5 85號支架支護強度

圖6 ZF3000/17/28支架受力模型圖

圖7 ZF3000/17/28支架受力示意圖

可得出支架平衡方程為：

式中：L1為頂梁尾部到支架后柱間距離，取450 mm；L2為支架前后柱間距離，取1 000 mm；L3為支架前部到頂梁端部距離，取3 542 mm；L4為加長梁前端露出煤壁距離，取600 mm；為q支架頂部所受均布載荷，取686 kN/m（計算中取頂梁長L=4 742 mm）。將上述參數代入公式后可得：F1=-500 kN，F2=2 958.8 kN，F3=384.4 kN。

通過上述計算結果可知，支架后立柱受力為負值，說明后支架處于受拉狀態。在該工作面支架上安裝長1.2 m、寬1.4 m加長梁后，支架控頂距增加，在頂部受到均勻載荷q后，支架兩排立柱合理作用點到煤壁的距離增加，支架出現埋頭現象。另外，在頂部覆巖層的作用下，支架尾梁受到向下作用力，支架后柱相應的受到拉力現象，從現場鉸鏈銷軸被彎曲和拉斷的情況也可以驗證后立柱受力情況。

為了進行更深入的分析前后立柱受力情況，根據該工作對支架前、后立柱安裝的數字壓力計數據進行采集，統計支架前立柱和后立柱阻力頻率分布表如表3所示，直方圖如圖8所示。

根據上述分析可知，后立柱的平均阻力為1 399 kN，額定阻力3 000 kN，約占額定阻力的46.6%，受力為0 kN的后立柱占比17.8%，受力在0～800 kN范圍內占比27%；而前立柱的平均阻力位2 033.38 kN，約占額定阻力的67.77%，受力在1 400～2 600 kN范圍內占比為65%，說明前立柱受力主要分布在此范圍內。分析結果表明該工作面前后立柱均存在一定的偏載現象，主要體現在后立柱受力普遍小于前立柱，沿著工作面支架嚴重傾斜，支架穩定性不好。這種情況將影響到支架移架，移架過程中往往需要在加長梁下方設置單體柱，增加各支架支撐力，從而保證支架的順利移架，同時也大大增加了移架時間，影響采煤效率。

4 工作面移架時間分析

該工作面現場移架過程中發現，由于在支架前端安裝了加長梁，支架重心前移，造成支架偏載現象嚴重。支架移架過程中經常出現倒架、壓架以及支架埋頭等現象，并且移架過程中需要在前端加長梁下方設置單體柱來協助移架。另一方面，由于支架存在偏心，為了防止支架底座傾斜，在移架過程還需要在底座處設置單體柱調整支架，完成各支架的調整。在移架過程中，工序較為繁瑣，增加了移架時間，造成了移架時間與割煤速度間的矛盾，嚴重影響開機率。表4對工作面部分支架移架時間進行了統計，從表中可以看出，該工作面移架速度較慢，最短移架時間為7 min，最長移架時間達到23 min，工作效率較低，對工作面推進速度造成了嚴重影響。

5 結論

1）通過對該工作面液壓支架進行適應性和力學分析，可知該工作面支架整體初撐力偏小，53%支架的初撐力主要集中在800～1 600 kN，平均初撐力僅為額定值得50.23%，初撐力較小使得工作面煤壁片幫及頂板離層加重，造成頂板下沉量增加；

表3 架前立柱和后立柱阻力頻率分布表

圖8 支架前、后柱循環末阻力頻率分布直方圖

表4 工作面部分支架移架時間統計

2）在統計的支架中發現部分支架阻力已經接近支架額定工作阻力，在來壓期間很容易造成支架過載，說明工作面選用支架工作阻力偏小；

3）對支架前后立柱受載情況的分析結果表明，工作面支架存在普遍的偏載現象，受力主要集中在前立柱上，后立柱受力較小，這就會嚴重影響支架初撐力的發揮，對支架穩定性造成嚴重影響。

4）移架工序復雜，降低了工作面推進速度。