復雜條件下大采高綜采液壓支架選型

文建國

(霍州煤電集團有限責任公司干河煤礦，山西 洪洞 041600)

0 引言

干河煤礦東南部及西南部 1、2號煤合并為一層，合并厚度 3.30～6.52 m,屬全區可采的穩定煤層。頂板巖性為泥巖、石灰巖(L1)、炭質泥巖或粗粒砂巖，局部在石灰巖之下發育—薄層泥巖偽頂，底板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖。底板粉砂巖抗壓強度為 11.6～16.3 MPa，平均 13.9 MPa，屬軟弱巖石；抗拉強度為 1.11～1.32 MPa，平均 1.21 MPa；抗切強度為 2.00 MPa。以 1.0 m夾矸為界，將南區分為3個區域，區域一、區域二為1號煤層和 2號煤層夾矸厚度超過 1.0 m的區域，采用分層開采，區域三為1號煤層和2號煤層夾矸厚度小于 1.0 m的區域，采用合并層開采。

1 架型的確定

目前用于單一煤層開采的液壓支架主要有四柱支撐掩護式和兩柱掩護式2種支護形式[1-3]，而在選定架型時應先明確液壓支架架型選擇的原則和支護強度的要求。

1.1 基本原則

架型選擇的原則：液壓支架的架型選擇主要考慮支護強度及工作阻力與工作面地質條件相適應，主體結構與煤層賦存條件相適應，支護斷面與通風要求相適應，結構尺寸與運輸條件相適應[4-7]。

支護強度的要求：①能夠對工作面圍巖進行有效控制，防止煤壁片幫和端面頂板冒落，保證工作面安全生產[8-12]；②在一定的時間內，能夠保證支架與采場圍巖關系的相對穩定，液壓支架能夠經受工作面頂板初次來壓和周期來壓考驗，液壓支架工作阻力和結構件強度與工作面賦存條件相適應；③保證支架對頂板有一定的“初撐力”，防止工作面頂板早期離層破碎，減小頂板的垂直位移量和水平位移量，減少控頂區頂板斷裂現象發生，并使來壓強度降低，避免因初撐力不足致使煤壁片幫和端面冒頂；④符合MT 554—1996《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》附錄中的對支護強度的最低要求[13]；⑤大傾角工作面支護強度的確定應主要考慮頂板來壓、單個支架穩定性、支護系統穩定性3個因素。

1.2 四柱支撐掩護式支架

主要特點：①有兩排立柱，頂梁和底座較長，通風斷面大，但整架運輸尺寸較大，工作面開切眼寬度要求較大;②左右柱載荷有差別，特別是前、后柱載荷差別較大；③支架的伸縮值一般≤2.1，適應煤層厚度變化的能力小；④支架的支撐合力作用點距切頂線近，切頂能力強；⑤支架剛度較同缸徑兩柱掩護式液壓支架大，對堅硬頂板工作面適應性好；⑥底座對底板比壓均勻，底座前端比壓較小，便于移架；⑦前、后立柱升架動作明顯，便于操作；⑧相對來說，四柱支撐掩護式支架對堅硬頂板工作面適應性好。

存在的主要問題：四柱支撐掩護式支架四柱受力不均。井下實測數據表明，四根立柱中有一根立柱不能充分發揮支護能力，支架整體支撐效率低。工作面仰采時，受直接頂冒落影響，頂梁合力作用力點偏向支架前方，前立柱受力較大，后立柱受力較小，若頂板破碎冒落充分，甚至會出現拔后柱現象；當工作面俯采時，頂梁合力作用點偏向支架后方，后立柱受力較大。再就是整架重量大，造價高。

1.3 兩柱掩護式支架

主要特點：①支護能力強，頂梁相對較短，支護面積小，在相同工作阻力的條件下支護強度高；②支架伸縮比一般可達2.4以上，支架適應煤層厚度變化能力強，早期該種架型一般用于破碎頂板及部分中等穩定頂板，近年來，其適應范圍也在逐步加大，也能較好地適應堅硬頂板；③支架結構簡單，單排立柱支撐，操作動作少，便于與電液控制系統配套，移架速度快；④采用整體頂梁，結構簡單可靠，頂梁前端支撐力大，有利于保持梁端頂板的完整性，減少超前壓力作用造成的片幫和冒頂；⑤平衡千斤頂可調節合力作用點的位置，通過平衡千斤頂，調節支架頂梁對頂板的支撐合力及合力作用點的位置，提高支架對頂板的適應性；⑥支架重量輕，投資少，搬家運輸方便，較四柱支撐掩護式支架而言，可降低投資10%～15%；⑦底座前端對底板的比壓一般大于四柱支架，但是通過優化設計可改善底座對底板比壓分布，如果配備抬底結構，更有利于快速移架；⑧對頂板的適應能力強。由于支架能經常給頂板向煤壁方向水平推力，有利于維護頂板的完整。對圍巖適應性強，對煤層變化較大的工作面適應性強。

存在的主要問題：低位使用時易產生“高射炮”現象；支架底座前端比壓大，支架容易扎底；支架低位時支架性能較低，掩護梁背角小，掩護梁容易積矸，支架附加載荷大。

適用范圍：隨著支架工作阻力的提高，特別是支架頂梁前后比數值的優化，目前兩柱掩護式支架基本上解決了“高射炮”現象，為該型支架大面積推廣應用創造了條件。近年來的開采實踐表明，上述架型能夠較好地滿足大采高綜采工作面開采需要。

2 支護強度的確定

2.1 理論計算

直接頂厚度：理論計算的依據是將采場直接頂視為可變形介質，根據采場直接頂承載能力的不同將其分為非承載區、承載區和弱承載區，認為在采場支架與圍巖系統中，由于直接頂介質的影響，支架阻力并不能限制基本頂(老頂)的最終位態，支架工作阻力和頂板下沉量的關系則是基本頂(老頂)給定變形條件下支架和直接頂作用的結果。頂板分類計算法是基于大量實測數據的統計結果，制定的直接頂和基本頂分類標準，由于源于實踐，因此有較高的可信度。對于頂板為非難垮落巖層，由于煤炭采出的影響，其冒落帶的頂板巖層厚度可用式(1)進行估算

h=M/Kp-1

(1)

式中，M—開采煤層厚度，m；Kp—直接頂垮落碎漲系數，一般取 1.25～1.4。

可知，若工作面最大采高為 6.2 m，根據上覆巖層碎脹充填程度的不同，冒落帶的頂板巖層厚度一般為 15.5～24.8 m，將其作為直接頂厚度。

基本頂初次來壓當量：根據《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》(MT 554—1996)基本頂分級指標計算公式計算基本頂初次來壓當量

Pe=241.3ln(Lf)-15.5N+ 52.6hm

(2)

式中，Pe—基本頂初次來壓當量，kN/m2；Lf—基本頂初次來壓步距，取36 m；N—直接頂充填系數，N=hi/hm，hi—直接頂的厚度；hm—采高，取 6.2 m。

將上述各數值代入計算得，1 129

表1 基本頂分級指標

表2 直接頂分類指標

基本頂額定支護強度下限：按照《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》(MT 554—1996)，對于Ⅰ～Ⅳ級基本頂的額定支護強度下限Ps可用式(3)進行估算

Ps=72.3hm+4.5Lp+78.9Bc-10.24N-62.1

(3)

式中，hm—采高，取最大采高 6.5 m；Lp—基本頂周期來壓步距，取36 m；Bc—控頂距，初步取5 m(頂梁長度+梁端距)；N—充填系數，N=hi/hm；hi—直接頂厚度，取 15.5～24.8 m。

將上述各數值代入公式計算可得出：Ps為900～916 N/m2，該計算結果表明，支護強度應不低于0.90～0.916 MPa。

2.2 支護強度校核

大傾角支架設計要對側護力和調架力進行計算和校核。大采高大傾角礦壓顯現分區特征明顯，支架工作阻力呈現出中部較大、上部和下部較小的特征，來壓期間中上部區域煤壁片幫次數和范圍明顯增加。與一般采高大傾角煤層工作面相比，初次來壓與周期來壓步距均明顯減小，來壓強度則明顯增大。不同工作面位置需要的支護強度，如圖1所示，根據頂板下沉量得出干河煤礦大采高工作面合理支護強度為 1.2 MPa。不同工作面位置，通過觀測支架最大載荷和載荷變化區間，判斷支架穩定性，如圖2所示。同時計算得出支架保持穩定性需要的工作阻力、側護力和調架力。通過分析，得出干河煤礦大采高支架傾倒穩定性需要的支護強度為1.0 MPa，支架滑移穩定需要的支護強度為 0.9 MPa。

圖1 不同工作面位置需要的支護強度

圖2 不同工作面位置支架壓力受力分析

2.3 現場實測

實測結果：相鄰采區2-116工作面采用的液壓支架型號為ZY7800/18/37，支架的支撐高度為1.8～3.7 m，支撐強度為 0.84～0.92 MPa，工作阻力為7 800 kN。在開采 2-116工作面時，對頂板壓力進行了監測，實測工作面下端頭、上端頭及中部支架立柱壓力情況如圖3～5所示。

圖3 工作面下端處支架立柱下腔壓力

圖4 工作面上端處支架立柱下腔壓力

圖5 工作面中部支架立柱下腔壓力

實測結果分析：由圖可知，工作面上端處壓力較低，頂板來壓時，支架最大支撐力為9 420 kN(立柱下腔壓力為37.5 MPa)；工作面中部和下端壓力較大，頂板來壓時，立柱安全閥有開啟現象(開啟壓力設定為39.8 MPa)，說明工作面壓力已達到液壓支架工作阻力。觀測結果表明，工作面在未來壓時支架壓力在10～15 MPa左右，來壓時工作面壓力為25～35 MPa，最大壓力可達40 MPa；中部工作面來壓劇烈持續時間長，最長可達3 d，相比較下上部和下部來壓較緩并且持續時間短。來壓期間，液壓支架立柱壓力沒有大面積開啟，說明液壓支架工作阻力基本滿足了工作面支護需要。

2.4 參數確定

類比分析：根據類似條件礦區已采煤層，類比分析是確定支護強度的常用方法之一。類比分析是根據類似煤層賦存地質條件，特別是周邊已開采地區類似煤層賦存地質條件工作面礦壓顯現已揭露的情況，結合本地區(礦井)具體煤層賦存條件進行對比分析。實踐表明，采用類比分析確定技術參數，是最為簡便可靠的一種方法。由于通過了生產實踐檢驗，因此其結論具有較高的參考價值。由表3可知，對于5 m左右采高的液壓支架，工作阻力一般多為8 000～10 000 kN，最大不超過10 500 kN，其中以10 000 kN的工作阻力最為集中。表3采集的數據雖然不多，但涉及到了淺埋深(伊泰喇二礦、神華萬利金烽)、“三軟”煤層(淮北祁南礦、陽泉寺家莊、鐵法大明)、千米埋深(淄礦唐口)等多種煤層賦存條件，很有代表性。

表3 近年開采所設計部分5 m采高液壓支架及使用情況

參數確定：通過采用理論分析礦壓觀測、類比分析等手段，綜合考慮干河煤礦大采高液壓支架的支護強度應不低于1.2 MPa，具體見表4。

表4 不同計算條件下的支護參數

3 液壓支架主要參數的確定

3.1 支架高度的確定

采高確定：實踐表明，大采高支架若采高不超過5.5 m，工作面煤壁片幫在可控范圍內。一旦工作面采高超過6 m，則煤壁片幫問題嚴重，給工作面生產管理造成極大影響。淮北大采高綜采和神火泉店大采高綜采都充分說明了該問題，因此將工作面最大采高控制在6 m左右比較合理。

支架結構高度：最大煤厚6.2 m，要保證支架能夠在4～6 m支護性能，支架工作阻力應不低于12 000 kN。而12 000 kN工作阻力的支架應選用φ420 mm缸徑立柱，受立柱行程約束，支架結構高度以2.8～6.5 m為宜。

3.2 支架中心距的確定

目前支架中心距主要有1.5 m、1.75 m、2.05 m，大采高支架多選用1.75 m中心距。對于兩柱掩護式液壓支架來說，為了布置立柱和推移桿等結構件，當支架工作阻力不超過7 600 kN，一般選用1.5 m中心距；當支架工作阻力為7 600～13 000 kN，一般選用1.75 m中心距；當支架工作阻力大于13 000 kN時，一般選用2.02 m中心距。相應地，當支架工作阻力為7 600 kN時，其支護強度一般為0.8～0.9 MPa；當支架工作阻力為10 000～13 000 kN，其支護強度一般為1.1～1.4 MPa；當支架工作阻力超過13 000 kN時，其支護強度一般在1.4 MPa左右。由前面計算可知，支架的支護強度應不低于1.2 MPa。因此，中心距選用1.75 m比較合適。

4 結語

結合架型選定時的選擇原則和支護強度的要求，綜合考慮干河煤礦液壓支架使用情況，選擇ZY12000/29/65兩柱支撐掩護式液壓支架在二采區首采面的工業性試驗結果理想。其總體參數、支護性能等各項指標均較為理想，推移及抬底機構、護幫機構等新結構的應用提高了支架的可靠性。