大采高支架在磁窯溝煤礦應用中的優化設計

雷志勇

（山西河曲晉神磁窯溝煤業有限公司， 山西 河曲 036500）

引言

隨著我國煤炭開采技術的發展，大采高綜采技術已經成為我國厚煤層開采的發展方向之一，并普遍被應用于大型的現代化礦井[1]。液壓支架作為綜放采煤支護的核心設備，其合理的設計尤為重要[2-3]。隨著開采深度的增加，工作環境變得極其惡劣，由于工作面上覆巖層的圍巖壓力不同，導致部分液壓支架出現不同程度的失穩甚至損壞的現象，嚴重影響了煤礦企業的安全生產。因此，本文以磁窯溝煤礦為工程背景，通過對該礦11102工作面大采高支架在應用中存在的缺點進行優化改進，為礦井的安全生產提供有效的技術支持。

1 工程背景

磁窯溝煤礦11102工作面地處黃土高原干濕過渡帶，地表為山西西北部黃土高原中—低山區地形，地表沖刷溝較多。該工作面長179 m，推進長1044m，煤層平均傾角為6°，層內0.4 m夾矸上部平均煤厚約為1.7 m、下部平均煤厚約為2.4 m，總體平均厚度為4.5 m。煤層結構簡單，但煤層厚度變化比較大。工作面具體的頂底板情況如表1所示。

由表1可以看出，該工作面直接頂上部為10-2煤采空區，受采空區垮落影響，巖性較破碎；直接頂為泥巖，平均厚度為5.8 m，節理裂隙發育，層狀結構易冒落；老底為砂質泥巖，平均厚度28 m，局部含砂量較高，成分以石英為主，再加上褶曲等構造影響，使得煤層在開采過程中易發生應力集中導致支架失穩甚至損壞。基于此，本文對該礦的液壓支架進行合適的選型和優化設計。

表1 工作面頂底板地質情況分布表

2 液壓支架的強度校核

由于磁窯溝煤礦11102工作面煤層結構復雜，上覆巖層為10-2號煤層10202工作面采空區，容易出現應力集中，導致支護困難。所以企業以安全為前提，滿足使用為基礎，減少投入，考慮利用企業原有支架，驗證其支護可行性。

2.1 支架架型的確定

選擇架型的主要依據：在一定的地質條件下，根據周期來壓的不同，將老頂分為I，Ⅱ、Ⅲ、IV4個等級；再根據直接頂的穩定性，將直接頂的級別分為4類，從而組合成不同情況如下頁表2所示。

根據磁窯溝煤礦11102工作面的頂底板地質情況所知，本工作面的基本頂為Ⅱ級，直接頂為2類，故適宜采用掩護式液壓支架。

2.2 支護參數的確定

2.2.1 支架支護強度

支架架型確定之后，支護強度的大小也是影響支護效果的重要因素之一。支護強度過大給支架的搬運和安裝帶來困難；支護強度過小又會造成頂板過早離層、冒落。但目前還不能準確的計算支護強度，而只能采取經驗公式近似的確定支架的支護強度。計算公式如下：

表2 支架選型參考表

式中：q為支架的支護強度；H為采高，平均4.5 m；γ為上覆巖層的密度，一般取2.1 t/m3；K為巖石膨脹系數，取1.35；α為工作面傾角，取5°；β為附加阻力系數，二排柱支架取1.6，單排柱支架取1.2；q1為頂板周期來壓動載系數，取1.1。

即：液壓支架的支護強度應大于35.5 MPa。

2.2.2 支架高度

合適的結構高度是支架是正常工作的關鍵，支架的最大及最小高度可按照下式確定：

式中：Hmax、Hmin為支架最大、最小高度，m；Mmax、Mmin為工作面最大、最小采高，分別取4.5 m、3.3 m。

通過計算可知，支架的最大支撐高度要大于4.7m，最小高度要小于3 m。

2.2.3 支架工作阻力

支架的工作阻力采用以下公式進行計算：

式中：ρ為砂巖容重為2 000～2 800 kg/m3，取最大值；M為采高，本工作面取4.5 m；L為支架支撐長度，取1.75 m；B為支架支撐寬度，取9.8 m。

即：支架的工作阻力要大于7 330 kN才滿足要求。

根據11102綜采工作面的實際地質情況，通過核算支護強度和工作阻力等參數，選用ZY8000/24/50D型掩護式液壓支架作為該工作面巷道支護的主要設備，共計107臺支架，具體的參數如表3所示。

3 液壓支架結構的優化設計

根據磁窯溝煤礦的實際地質情況，通過計算液壓支架的相關參數，最終選用了ZY8000/24/50D型掩護式液壓支架作為11102工作面的主要支護設備。但該工作面頂板和煤層堅硬，不同高度的圍巖壓力不同，使得液壓支架在使用過程中由于應力集中而出現不同程度的損壞，影響生產的工作效率。因此，為了使液壓支架能更好地適應該工作面的頂板壓力，對支架的部分結構進行改進，從而改善支架的穩定性，確保企業安全生產的順利進行。

表3 ZY8000/24/50D型液壓支架參數表

3.1 液壓支架護幫結構的優化設計

通過分析11102工作面的頂底板情況可知，上覆巖層為采空區，使得頂板的壓力遠大于支架護幫板對煤壁的壓力，而液壓支架在工作時，因千斤頂伸出過長而降低了液壓支架的承載能力。因此，將支架的掩護梁和伸縮梁進行分離，可以有效地抑制煤壁破壞體發生滑落失穩。建立的煤壁破壞體滑落失穩力學模型如圖1所示。

圖1 煤壁滑落失穩力學模型圖

圖中，a為煤壁破裂面與煤壁的夾角，M為采高,F1為覆巖壓力，b為煤壁破壞深度，Fmd為煤巖之間的摩擦力。對煤壁破壞體建立平衡方程：

式中：F3h為深部煤體對煤壁破壞體垂直于破壞面的作用力；Fmm為煤壁破壞體與煤體的摩擦力；f1為頂板巖層與煤體的摩擦因數。

對上式求解可得液壓支架護幫板抑制煤壁破壞體發生滑落失穩的最小護幫力：

通過上述計算分析，可以得出煤壁破壞位置一般為距煤層頂板0.35倍的采高處，由于護幫板直接鉸接在液壓支架的頂梁上，護幫板與伸縮梁分體結構對煤壁的支護作用合力更大，所以應對支架的伸縮梁與護幫板進行分離，確保支架的支護效果。

3.2 液壓支架關鍵結構設計

大采高支架在工作過程中受到頂板的應力集中時，頂梁承載能力差，前后連桿容易失穩；底座受到扭轉載荷，使得柱窩處應力表現異常。因此，對液壓支架的頂梁前端采用6條縱筋的5腔結構，增加頂梁的抗變形能力，如圖2中2-1所示；對底座加強筋處由26 mm加厚到40 mm，如圖2中2-2所示，使得優化后的支架能更好地適應頂板的壓力，提高工作環境的安全系數。

圖2 關鍵抗沖擊結構結構圖

4 應用效果

按照上述優化設計，對改進后的大采高液壓支架進行現場應用，并測量支架所受到的載荷頻度和載荷大小，記錄的數據如圖3所示。

由圖3可知，支架所受載荷在20～30 MPa之間，占了總數的65.5%，遠小于支架支護強度，說明改進后的液壓支架能夠合理地平衡圍巖的壓力，改善了支架的穩定性，提高了工作環境的安全系數，為煤礦的安全生產提供技術保障。

5 結論

1）根據磁窯溝煤礦11102工作面的實際地質條件，并計算液壓支架的有關參數，最后確定ZY8000/24/50D型大采高支架作為該工作面的主要支護設備滿足支護要求。

圖3 液壓支架荷載頻度統計圖

2）針對ZY8000/24/50D型支架在現場應用過程中受到應力集中的問題，對支架進行優化改進。將掩護梁和伸縮梁進行分離，增加了支護的合力，確保了支護效果；對支架的關鍵結構進行加厚、加固處理，可以更好地承載頂板載荷，提高了支架穩定性。

3）通過對大采高液壓支架在磁窯溝煤礦的應用研究，說明液壓支架經過切合實際的優化改進，不僅能提高工作效率，減少企業的生產成本，還可以提高工人工作環境的安全系數。