國源煤礦兩柱掩護式放頂煤支架的適應性研究

殷培東

摘要：針對厚煤煤層綜放工作面支架與圍巖動載失穩、架前煤壁片幫等問題，基于國源煤礦開采特厚煤層中首次應用ZFY18000/28/53D型兩柱掩護式放頂煤液壓支架，通過建立“四位一體”的評價指標體系對該支架架型的適應性進行研究，即從支架結構、承受載荷、平衡千斤頂和現場應用四方面對支架的適應性進行研究。研究結果表明：ZFY18000/28/53D型兩柱掩護式放頂煤液壓支架結構適應國源煤礦該綜放工作面生產要求；經現場實測，61601綜放工作面周期來壓步距平均為19.5m，動載系數為1.63，工作面液壓支架的實際工作阻力為額定工作阻力的82.2%，即14800kN；周期來壓期間工作面架前冒頂高度為0mm～600mm，移架速度平均為9.8s/架。經評價認為，ZFY18000/28/53D型兩柱掩護式放頂煤支架在國源煤礦綜放工作面具有良好的適應性。

關鍵詞：兩柱掩護式放頂煤支架；“四位一體”的評價指標體系；綜放面；適應性

我國高產高效開采的特厚煤層礦井主要賦存于晉、陜、蒙地區，資源儲量約占35%，這些資源不僅埋藏淺，而且賦存穩定，硬度大，因此可優先選用放頂煤開采方法[1-2]。該種采煤方法就必須選用合適的液壓支架，目前兩柱掩護式放頂煤支架已經成為我國學者研究的重要課題[3-4]。

于20世紀80年代提出了液壓支架與圍巖位移關系方程式的“傳遞巖梁”力學模型，并據此研發出與圍巖相適應的兩柱掩護式放頂煤支架[5-8]；應用巖梁模型研究了兩柱掩護式放頂煤支架支護強度，從而確定了該液壓支架的承載特性及其適應性[9]；針對兩柱掩護式支架在放頂煤工作面出現的支架—圍巖狀態惡化的情況，對平衡千斤頂在放頂煤兩柱掩護支架適應性的作用進行了探討[10]。

然而在實際生產中對兩柱掩護式放頂煤支架的適應性未形成系統的評價體系。本文采用理論分析、計算、現場實測等方法形成了“四位一體”評價體系，并對國源煤礦特厚煤層首采工作面首次使用的ZFY18000/28/53D型兩柱掩護式放頂煤支架進行適應性研究。為今后類似條件下其他工作面的高效開采提供指導和借鑒。

1.工作面概況

61601綜放工作面位于61盤區東側北翼，是國源煤礦首采工作面。61601工作面標高847.00m～854.40m，埋藏深度346.1m～427.8m，工作面走向長度為254.6m，推進長度615m。61601綜放工作面開采6號煤層，為黑色長焰煤，煤層厚度平均為23.83m，屬于特厚煤層，煤層傾角平均為2.75°，屬于近水平煤層，煤層普氏硬度系數f=1.0～2.0。煤層頂底板情況見表1。

61601工作面采用走向長壁后退式全部垮落采煤法，采高5.1m，放煤高度18.73m。根據現場生產的需要，在61601綜放工作面布置了119架ZFY18000/28/53D型兩柱掩護式放頂煤支架。

2.兩柱掩護式放頂煤支架適應性分析

2.1“四位一體”的評價指標體系

兩柱掩護式放頂煤支架在國內外綜放工作面有著廣泛的使用。而對兩柱掩護式放頂煤支架來說，為綜放工作面提供一個安全的生產環境是評價該支架適應性的關鍵。因此，從支架結構、支架承受載荷、平衡千斤頂和現場應用四方面建立了兩柱掩護式放頂煤支架“四位一體”的評價指標體系。從而判斷ZFY18000/28/53D型兩柱掩護式放頂煤支架在國源煤礦61601綜放工作面的適應性。

2.2兩柱掩護式放頂煤支架結構的適應性

支架的結構是工作面選用支架之前首要考慮的關鍵因素之一，國源煤礦結合61601工作面地質特征首次研制并使用了ZFY18000/28/53D型兩柱掩護式放頂煤支架，結構如圖1所示。

該支架架型采用單排立柱高工作阻力、1個缸徑為φ280mm的平衡千斤頂、能夠適應現場放煤要求的放煤機構、連桿機構和電液、手動雙操縱系統。因此該支架結構適應國源煤礦生產需要。

通過實測數據分析可知，掩護梁上的載荷并不是始終不變的，尤其當掩護梁坡度比較小，而頂板周期來壓又比較劇烈時，更易于使掩護梁上的W增大。

國源煤礦61601綜放工作面采用瑪柯礦上壓力監測系統對支架工作阻力進行連續觀測，61601工作面初次來壓步距為50m，6601工作面周期來壓步距平均為19.5m，動載系數為1.63。

據統計，周期來壓期間61601工作面高壓力區主要集中在工作面中部，支架的工作阻力為11000kN～16000kN，平均為14800kN，為該支架額定工作阻力的82.2%。經評價，ZFY18000/28/53D型兩柱掩護式放頂煤支架的工作阻力能適應綜放工作面頂板的沖擊載荷。

2.4支架平衡千斤頂的適應性

ZFY18000/28/53D型兩柱掩護式放頂煤支架中平衡千斤頂的油缸直徑為280mm，桿徑185mm，推力和拉力分別是1940kN、1093kN。

據統計平衡千斤頂工作阻力在0kN～500kN區間內的占60%左右，平衡千斤頂未承受太大的作用力，表明通過調節平衡千斤頂，可以使兩柱掩護式放頂煤支架適應頂板動態載荷的分布，提高該支架對圍巖的適應性。

2.5支架現場應用的適應性

2.5.1支架端面控頂效果

據現場實測，國源煤礦61601綜放工作面正常生產期間，架前冒頂高度的分布規律如圖5所示。61601綜放工作面支架前冒頂高度主要為0mm～600mm內。因此針對61601綜放工作面架前冒頂需加強礦壓監測，保證支架初撐力達到30MPa，割煤移架期間根據架前冒頂狀況可采取超前帶壓移架，減少架前冒頂狀況。

2.5.2支架現場應用

（1）支架額定工作阻力。據《煤礦用液壓支架立柱和千斤頂技術條件》規定：工作面液壓支架在承受頂板動載沖擊時，要求液壓支架立柱壓力應在30ms內達到1.5倍額定工作壓力，支架承受的最大動載荷應大于1.5倍的靜載荷。

根據礦壓監測數據顯示：工作面來壓期間，液壓支架承受頂板動載沖擊時，支架阻力的最大值為19800kN。因此要求工作面支架的額定工作阻力不得小于13200kN，而ZFY18000/28/53D型兩柱掩護式放頂煤支架設計的額定工作阻力為18000kN。經評價，支架的支護能力滿足61601工作面頂板支護要求。

（2）移架時間。經實測，ZFY18000/28/53D型兩柱掩護式放頂煤支架在電液控制系統控制下，該支架移架速度平均為9.8s/架，而采用手動液壓控制進行支架移架時，該支架移架速度平均為13.2s/架。因此采用電液控制系統明顯提高了移架速度，提高了工作面兩柱掩護式放頂煤支架利用率和回采效率。

3.結論

兩柱掩護式放頂煤支架是在綜采放頂煤技術廣泛實踐應用的基礎上，采用四位一體的評價指標體系，對ZFY18000/28/53D兩柱掩護式放頂煤支架的適用性進行了研究，得到以下主要結論：（1）ZFY18000/28/53D型兩柱掩護式放頂煤支架結構適應國源煤礦綜放工作面的生產需要。（2）基于理論分析和現場應用可知，ZFY18000/28/53D型兩柱掩護式放頂煤支架的支護能力滿足國源煤礦61601綜放工作面頂板支護要求。（3）實測分析通過調節平衡千斤頂適應支架承受的載荷，支架整體的受力狀態良好。（4）現場應用表明，國源煤礦61601工作面在正常推進階段，兩柱掩護式放頂煤支架位態穩定，支撐能力強，架前冒頂高度小于600mm，需采取超前帶壓移架，減少架前冒頂狀況。（5）ZFY18000/28/53D型兩柱掩護式放頂煤支架設計支護能力滿足工作面頂板的支護要求；從支架的移架時間看，保證電液控制系統的可靠性有利于提高工作面支架利用率和回采效率。

綜上所述，從ZFY18000/28/53D型兩柱掩護式放頂煤支架實際生產應用中來看，該支架適應于國源煤礦綜放工作面的地質條件，為今后類似條件下其他工作面的高效開采提供參考依據。

參考文獻：

[1]孟憲銳，王鴻鵬，劉朝暉.我國厚煤層開采方法的選擇原則與發展現狀[J].煤炭科學技術， 2009（1）： 39-44.

[2]宋洪柱.中國煤炭資源分布特征與勘查開發前景研究[D].中國地質大學（北京）， 2013.

[3]錢鳴高，劉雙躍.兩柱支掩式支架適應性研究[J].中國礦業學院學報， 1985（03）： 6-16.

[4]張寧波，劉長友，于文海，等.兩柱掩護式綜放支架對端面頂煤穩定性的控制作用[J].煤炭工程， 2011， 1（3）： 31-34.

[5]宋振騏，蔣金泉.煤礦巖層控制的研究重點與方向[J].巖石力學與工程學報， 1996， 15（2）： 128-134.

[6]王國法，龐義輝.液壓支架與圍巖耦合關系及應用[J].煤炭學報， 2015， 40（01）： 30-34.

[7]王國法，龐義輝.基于支架與圍巖耦合關系的支架適應性評價方法[J].煤炭學報， 2016， 41（06）： 1348-1353.

[8]王家臣，王蕾，郭堯.基于頂板與煤壁控制的支架阻力的確定[J].煤炭學報， 2014， 39（8）： 1619-1624.

[9]徐亞軍，王國法，劉業獻.兩柱掩護式液壓支架承載特性及其適應性研究[J].煤炭學報， 2016， 41（08）： 2113-2120.

[10]楊培舉，劉長友，韓紀志，劉奎.平衡千斤頂對放頂煤兩柱掩護支架適應性的作用[J].采礦與安全工程學報， 2007（03）： 278-282.

[11]錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制[M].中國礦業大學出版社， 2010.

[12]錢鳴高.采場上覆巖層巖體結構模型及其應用[J].中國礦業大學學報， 1982（2）： 6-16.

[13]楊培舉.兩柱掩護式放頂煤支架與圍巖關系及適應性研究[D].2009.