兩柱掩護式放頂煤液壓支架在云蓋山煤田的應用實踐

馮洪濤

（河南永錦能源有限公司，河南 禹州 461670）

1 云蓋山煤田特征及綜采放頂煤開采現狀

云蓋山煤田位于河南省禹州市，煤田走向長16km，傾向寬3～4km，面積50km2。該煤田劃分為4對礦井，分別為平煤集團白廟礦、棗園礦、云煤一礦、云煤二礦，其中棗園礦、云煤一礦、云煤二礦屬河南能源永煤集團河南能源永錦能源有限公司。云蓋山煤田主采煤層為二1煤層，煤層直接頂為中粒砂巖，局部為粉砂巖和砂質泥巖，底板為泥巖和砂質泥巖。煤層頂板比較堅硬，底板比較軟。二1煤層賦存不穩定，煤厚變化較大，實際揭露煤層最大厚度13m左右，全區平均煤厚4.6m，煤層普氏硬度系數f≤0.37，質軟而松散，一般呈粉狀，煤層冒放性系數為0.88，冒放性好，適合放頂煤開采。

棗園礦、云煤一礦2008年首次采用綜放開采技術以來，采煤工作面一直使用ZF3000/16/26型四柱支撐掩護式放頂煤支架，使用過程中支護強度相對較低，大立柱安全閥頻繁開啟，并且煤壁經常出現片幫、冒頂、拔后柱等問題。近年來隨著原有綜采設備的老化，支架竄液、漏液問題較為嚴重，支護強度和效率逐漸降低，且維修成本不斷升高，直接制約礦井安全高效生產，急需對綜采設備換代升級。

2 液壓支架主要指標參數的確定

2.1 架型確定

國內放頂煤液壓支架傳統上采用四柱放頂煤液壓支架，但在開采過程中經常出現前、后立柱受力不均，甚至出現拔后柱的現象，大大降低了支架的支護效率，煤層頂板得不到有效管理，降低了開采效率。近年來，隨著液壓支架技術的發展，放頂煤支架逐步向兩柱放頂煤支架發展。

依據云蓋山井田實際揭露的煤層狀況，煤層最大厚度13m，平均厚度4.6m，煤層厚度相對變化較大，而且頂板條件屬于中等穩定或穩定頂板，頂板巖性屬于粗粒砂巖，巖石堅硬，裂隙中等發育，巖體易垮落。同時考慮原ZF3000/16/26型四柱支撐掩護式放頂煤支架使用過程中存在的問題和弊端，確定為云煤一礦22204采煤工作面選用兩柱掩護式放頂煤液壓支架。

2.2 液壓支架工作阻力的計算

2.2.1 依據巖重法計算支架支護強度

式中：

P-液壓支架支護強度，MPa；

K1-作用于支架上的頂板巖石厚度系數，一般為 6～8，取 7；

H-工作面采高，按最大采高取3.0m；

γ-巖石容重，取2.5t/m3；

n-動載系數，由于工作面受到鄰近工作面開采的影響，為保證支架的可靠性，選取較大的抗動載系數，取1.1。

2.2.2 根據基本頂周期來壓步距法測算支架支護強度

依據經驗公式：

式中：

h-采高，取3.0m；

Lp-老頂周期來壓步距，依據鄰近工作面礦壓觀測結果，取22m；

Bc-控頂距，取4.58m；

N-直接頂與采高的厚度比，取0.6。

P=72.3×3.0+4.5×22+78.9×4.58-12.24×0.6-62.1≈0.61MPa

根據上面兩種計算支護強度的結果，工作面液壓支架的支護強度確定為不小于0.61MPa。再根據配套尺寸、支架頂梁長度、空頂距算出支架工作阻力：

式中：

F-液壓支架工作阻力，kN；

P-支架的支護強度，0.61MPa；

LK-允許最大空頂距，0.357m；

LD-頂梁長度，4.223m；

B-支架寬度，1.5m。

代入值可以求得：

F=0.61×1000×（0.357+4.223）×1.5≈ 4191kN

根據上述算法，并參考ZF3000/16/26支架使用情況（支架在使用過程中安全閥頻繁開啟，并且前部出現片幫、冒頂），同時考慮工作面遇斷層、薄煤帶等地質因素，液壓支架工作阻力應略大于理論值，最終確定支架選取Φ280mm缸徑立柱，工作阻力4800kN，安全閥開啟壓力為P=39MPa。

2.3 支架高度的確定

在松軟不穩定煤層條件下，工作面采高過大，煤壁片幫、架前漏頂等不利因素的影響將提高。遵照《煤礦安全規程》采放比大于1∶3的緩傾斜、傾斜厚煤層嚴禁采用放頂煤開采的規定，本著兼顧行人高度、有效防止煤壁片幫、提高厚煤區回采率三項原則，依據云蓋山井田煤層賦存情況，確定工作面機采最大工作高度為3m，最小高度為2m。因此，支架選用ZFY4800/17/32型放頂煤掩護式液壓支架滿足需要。

2.4 支架防倒防滑裝置

礦井原使用的ZF3000/16/26型四柱支撐掩護式放頂煤支架無防倒防滑裝置，因此在煤層傾角較大的地段經常出現支架下滑、倒架現象，為避免此類問題，鑒于我國大傾斜綜放工作面開采實踐經驗，ZFY4800/17/32型掩護式放頂煤液壓支架采用平拉式防倒裝置。相鄰支架間的具體連接方式如圖1所示。

圖1 頂梁防倒裝置

3 現場應用存在問題及解決對策

ZFY4800/17/32型掩護放頂煤式液壓支架在云煤一礦22204采煤工作面投入使用初期，由于客觀條件及工人操作不熟練等原因，出現支架拉移困難、片幫流煤等問題，影響安全生產，為此，礦井研究總結出相應對策。

（1）支架拉移困難解決對策

由于22204綜采面切眼處地質構造帶附近局部頂煤較厚，支架超高使用以及采面初采老塘側頂板無垮落等原因，存在支架拉移困難問題。礦井采用單體液壓支柱輔助移架以及更換部分支架推拉油缸增加拉力的措施，保證支架正常拉移。基本頂初次來壓后，老塘側頂板垮落，液壓支架的受力趨于穩定，大多數支架實現正常拉移，個別拉移困難的支架可借助伸縮后尾梁插板輔助拉移。

（2）片幫流煤問題解決對策

針對二1煤層松軟易碎的特點，結合新型支架特征，主要采取以下對策：（1）首先對煤層實施注水，提高煤體粘結性，防止煤壁片冒；（2）采用風鎬、手鎬人工落煤的方式提前對中上部煤壁進行回采處理，及時伸出液壓支架護幫板護幫，采煤機僅對中下部煤壁進行切割，減小采煤機對煤壁的擾動。

4 應用效果分析

（1）采面作業環境明顯改善。①新型支架支護強度高，移架速度快，減少對頂板反復支撐，采面片幫流煤現象得到有效控制，現場安全狀況明顯提高；②新型支架正常采高2.6m，支架間人行道凈高度達到2m，方便人員直立行走，而原使用的四柱支架正常采高2.2m，支架間人行道凈高度僅1.6m，人員行走不便；③新型支架底座前段設計有口子形防滑條，人員行走時不易滑到，保障人員安全。

（2）原煤開采回采率得到提高。原四柱式支架最大有效采高2.4m，現用兩柱式支架最大有效采高可達3m。依據《煤礦安全規程》第一百一十五條采放比大于1:3時嚴禁采用放頂煤開采的規定，原四柱式支架可開采最大煤層高度9.6m，現用兩柱式支架可開采最大煤層厚度達到12m。云蓋山井田的煤層賦存不穩定，局部煤厚大于10m，采用新型支架有效提高了特厚煤區的原煤開采回采率。

5 結論

兩柱掩護式放頂煤支架相對四柱式支架具有穩定性好、移架速度快、支護強度高、避免反復支撐頂板、能有效控制煤壁片幫等優點，是放頂煤支架的發展方向。云煤一礦22204采面是云蓋山井田首次使用兩柱掩護式放頂煤支架的工作面，采面自2018年7月份初采初放以來，通過不斷摸索、磨合，新支架及配套設備的優勢不斷顯現，制約安全生產的煤壁片幫問題得到有效解決，現場作業環境及安全條件大為改觀，最高日產量突破3000t大關，成功實現了綜采設備的換代升級，為相似地質條件的其他礦井推廣應用兩柱掩護式放頂煤支架樹立了典范。