薄煤層充填工作面液壓支架選型研究

趙志紅

（山西蘭花集團莒山煤礦有限公司， 山西 晉城 048027）

引言

液壓支架作為一種維護工作面作業空間的結構體，對綜采工作面安全生產具有十分重要的意義[1-2]，其工作阻力、結構型式、控制方式及與采煤機和刮板機的配套情況對應用效果具有一定的影響[3-4]。近年來隨著煤炭資源的逐漸減少，許多礦井開始嘗試使用充填開采，本文針對莒山礦9 號煤層實際充填開采地質條件，對工作面充填支架進行了研究。

1 開采地質條件

莒山礦9 號煤層位于太原組第三段下部區域，煤層厚度為0.95～1.62 m，平均厚度為1.3 m，煤層頂板為泥巖、砂質泥巖及粉砂巖，底板以泥巖為主，部分區域為砂質泥巖，該煤層為礦井范圍內穩定煤層，全區域可采。

2 支架主要參數分析

2.1 支護高度確定

一般來說，支架支護高度與所采煤層息息相關，支護高度范圍應可以覆蓋煤層高度范圍，即最大支護高度應大于煤層最大高度0.2 m 以上，且最小支護高度應低于煤層最小厚度0.2 m 以上。

9 號煤層最大高度為1.6 m，為保證9 號煤層全部開采及支架與采煤機的空間匹配關系，支架最大高度不低于1.8 m，考慮后期支架設計情況，確定支架最大高度為1.9 m。基于充填開采對支架空間結構的要求，支架最小高度確定為1.1 m。

2.2 架型的確定

目前綜采工作面支架型式主要由兩柱式和四柱式兩大類，兩柱掩護式支架頂梁較小，對工作面頂板適應性強，控制系統相對簡單，因此廣泛用于一次采全高的綜采工作面；四柱式支架主要頂梁較長，對堅硬頂板具有良好的適應性，同時由于其結構穩定性較強，廣泛用于放頂煤工作面。莒山礦9 號煤層采用綜采泵送膏體充填技術，要求架前開采與架后充填同時進行，根據實際工藝要求，支架結構型式確定為特殊的四柱支撐式結構。

2.3 支護強度分析

支架支護強度可按下式計算：

式中：P 為支架支護強度，MPa；K2為采動影響系數，根據以往礦壓監測，取2；γ 為工作面上覆巖層容重，取25 kN/m3；k 巖石碎脹系數，考慮薄煤層上部煤層已采，上覆巖層已受擾動且趨于穩定，k 取1.21；H 為支護高度，取煤層最大采高，1.6 m；K1為安全系數，由于莒山礦9 號煤層開采時上覆3 號煤層已采空，頂板巖層受采動影響，工作面進出上覆3 號煤層遺留煤柱時覆巖應力增大，要求支架具有較大支撐應力，這里取安全系數K1=1.2。

將各參數代入，得支架支護強度P=0.46 MPa。

3 支架設計

3.1 主要技術參數及結構特征

根據上述分析，9 號煤層工作面液壓支架支護強度不低于0.46 MPa，考慮到安全閥開啟性能、3 號已采煤層上覆垮落巖層重復采動及工作面進出3 號煤層殘留煤柱時集中應力影響等因素，結合9 號煤層充填開采技術方案及支架布置情況綜合分析，充填工作面支架型號為ZC6400/11/19D 型（見下頁圖1），其主要技術參數如下：支架型式為四柱支撐式；支撐高度為1 100～1 900 mm；支架寬度為1 430～1 600 mm；支架中心距為1 500 mm；平均支護強度約0.5 MPa；平均底板比壓約1.7 MPa；工作阻力為6 400 kN（P=38.5 MPa）；初撐力為 5 232 kN（P=31.5MPa）；操作方式為電液控制；泵站壓力為31.5 MPa；移架步距為800 mm。

圖1 ZC6400/11/19D 型液壓支架

支架主要結構特征如下：

1）支架前部主體采用四柱支撐掩護式結構，以確保支架的穩定性。

2）支架采用整體頂梁，頂梁后部鉸接前梁機構，有利于維護正常的充填作業空間。

3）支架采用四連桿穩定結構型式，便于在正常采高范圍內前部采煤作業區與后部充填作業區的相鄰支架間行人。

4）支架前、后頂梁設計雙側活動側護板，使用時，一側鎖死，一側活動，便于架間封矸。

5）支架底座設置推移機構，方便移架。

6）支架底座前端采用“船”型結構，防止推移鉆底，并適應底板起伏。

7）支架底座前端設計抬底座機構，支架前端扎底或有浮煤時，可將底座前端抬起，便于支架前移。

8）支架底座設置擋板結構，用于對充填袋的擋護（具體結構需結合充填工藝設計）。

3.2 支架電液控制系統分析

液壓支架電液控制系統，包含電液控換向閥、礦用本安型支架控制器、礦用隔爆兼本安型直流穩壓電源、礦用本安型電磁閥驅動器、礦用本安型隔離耦合器、礦用本安型電源適配器、礦用本安型壓力傳感器、礦用本安型行程傳感器、礦用本安型紅外線發射器、礦用本安型紅外線接收器、礦用本安型遙控發射器、礦用本安型遙控接收器、順槽監控計算機、井上下傳輸設備及連接電纜等[5]。集嵌入式技術、現場總線技術、控制技術和液壓技術于一體，采用分布式控制系統架構，完成支架的單架手動動作、單架自動動作、成組自動功能和跟機自動動作，實現鄰/隔架控制、遠方控制、單架/成組自動控制，可使工作面的移架推溜速度提高，易于實現定壓帶壓移架，可降低工人勞動強度，提高工作面輸送機推移質量。控制系統主要技術特征如下：

1）支架控制器采用彩色液晶屏幕，尺寸3.5 英寸，可顯示接入的傳感器的實時數值、本架及系統狀態、系統參數等，顯示菜單語言為中文；同時能以屏幕的不同顏色來直觀指示系統狀態。

2）支架控制器具備8 路模擬量傳感器輸入接口，可滿足智能化工作面連接多個壓力傳感器、行程傳感器的需求。

支架可實現成組程序自動控制，包括成組自動移架、成組自動推溜、成組自動噴霧等。

3）支架電液控通過跟機自動移架、任意截深自動推溜，實現跟機自動化自動割煤的功能；該系統必須向綜采自動化控制系統開放自動跟機起停功能，保證綜采自動化控制系統可在順槽監控中心實現對液壓支架自動跟機功能的遠程操作，模式切換延時不超過500 ms。

4）支架電液控具備支架初撐力自動連續補償功能,補償初撐力可調（不超過泵壓31.5 MPa），并具有帶壓移架功能。當立柱下腔壓力降至某一設定值時，支架控制器會自動執行升柱，補壓到初撐壓力，并可執行多次，保證支護質量。

5）在控制器界面或者上位機界面上顯示立柱工作壓力、推移行程、采煤機位置方向、支架姿態狀態。各項顯示菜單、參數表等全部為中文顯示。重要的常用的單動作和聯合動作，在面板上定義專用快捷鍵。單架功能分為鄰架、隔架、計算機遠程控制、遙控器遠程控制功能。成組功能以工作面的任何一個支架為操作架，向左或向右連續相鄰的若干個支架為一組，執行支架的某一單動作或聯合動作，成組自動移架、成組自動推溜、成組自動伸、成組自動收、成組自動噴霧。

6）可實現單臺支架的“降、移、升”自動控制，電液控制系統應用軟件滿足煤礦工作面的實際情況和采煤工藝具體要求。在井下通過設置參數的方法，使電液控制系統完全適合井下的實際工況、采煤工藝要求和地質條件。

7）電液控制系統有聲光報警、急停、閉鎖及故障自診斷顯示功能。在成組動作或自動程序動作之前，支架控制器的“蜂鳴器”響，警示燈閃爍。緊急情況時，在工作面任何一臺支架的控制器上按下急停開關，全工作面支架停止動作。

8）電液控制系統配置精確推拉控制組件，采用分步推溜保障推溜、拉架的控制精度，配合慣導系統，保障平直的工作面推進曲線。

9）支架控制器和井下主控計算機上都具有顯示支架各種工作參數的功能, 支架控制器和井下主控計算機同時具有故障診斷、顯示及報警功能。

10）依據采煤工藝，能滿足支架與采煤機、刮板運輸機進行自動割煤要求，割三角煤時，自動斜切進刀，實現端頭割三角煤自動化。電控系統應為非主-從機型，當支架控制系統與井下計算機斷開后，通過操作控制器仍能完成控制器所具備的各種操作功能和操作模式設置。

11）支架根據采煤機位置和方向跟隨采煤機實現自動推溜、自動移架、自動輔助采煤機噴霧的功能。

12）數據查詢和存儲功能，具有對支架或控制系統進行故障診斷、顯示、報警及紀錄、查詢功能以及存儲的功能。

4 結語

根據山西蘭花莒山煤礦9 號煤層工作面實際條件，對充填工作面支架進行了研究，為支架設計和采購提供了參考，在后續應用過程中應結合實際開采地質條件、采用設備的選型情況、工作面充填工藝及充填體凝固時間等因素綜合考慮，實現支架與采煤機及刮板機的合理配套，以及支架與充填工藝的合理匹配，保障充填工作面得到綠色安全開采。