輕型放頂煤液壓支架的研究

樊 華

（山西晉城煤業(yè)集團(tuán)金鼎公司，山西 晉城 048006）

引言

天安圣華煤業(yè)整合批準(zhǔn)能力為45萬t/年。該礦在2005年以前，由于生產(chǎn)方式簡陋，單井規(guī)模小，一直采用以掘代采的巷柱式開采法，造成3號煤層殘留煤炭資源。現(xiàn)井田內(nèi)其3號煤層剩余的實(shí)體煤資源可采年限不足1年，延長礦井服務(wù)年限已迫在眉睫。依據(jù)《山西省生產(chǎn)煤礦回采率管理實(shí)施細(xì)則》中相關(guān)規(guī)定，現(xiàn)考慮復(fù)采，對殘留煤炭資源進(jìn)行最大限度采出和利用。

本文旨在研究一種可廣泛適用于綜放工藝采煤的輕型放頂煤液壓支架，為一些中小型綜放工藝采煤的礦井機(jī)械化作業(yè)提供強(qiáng)力支撐。

1 研究目的及意義

根據(jù)對天安圣華煤業(yè)3號煤層測量進(jìn)行計(jì)算，其可供復(fù)采的區(qū)域面積約為0.426 km2，殘煤儲(chǔ)量約為277.3萬t，復(fù)采工作面的回采率按照80%計(jì)算，在舊采區(qū)域內(nèi)可多回收殘煤量約為144.6萬t。根據(jù)其批準(zhǔn)能力45萬t/年計(jì)算，復(fù)采可延長礦井壽命約為4年。

根據(jù)調(diào)研，受之前落后開采方式的影響，諸多老礦存在類似現(xiàn)象，從礦井經(jīng)濟(jì)效益和殘留資源保護(hù)角度出發(fā)，研究一種可廣泛適用于綜放工藝采煤的輕型放頂煤液壓支架意義重大[1-2]。

2 研究思路與方案

根據(jù)前期調(diào)研，圣華煤業(yè)3號煤回采工作面基本地質(zhì)條件為：平均埋藏深度210m，工作面長度80m，推進(jìn)長度約555 m，工作面內(nèi)地質(zhì)條件簡單。作為復(fù)采工作面，根據(jù)礦井實(shí)煤開采量、開采年限、成本投入以及運(yùn)輸安裝等條件限制，要求新支架在滿足支護(hù)條件前提下，達(dá)到重量最輕的效果。

2.1 支架計(jì)算與選型

2.1.1 計(jì)算

依據(jù)圣華煤業(yè)3號煤層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)性質(zhì)測定指標(biāo)、煤層富存條件和開采技術(shù)條件，應(yīng)用采場薄板礦壓理論，工作面支架承受的最大壓力為6~8倍采高的頂板巖石的重量，采用經(jīng)驗(yàn)估算法對支架工作阻力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算如下：

2.1.1.1 支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算

設(shè)計(jì)取8倍采高的頂板巖石重量計(jì)算：

式中：P為支架支護(hù)強(qiáng)度，MPa；α為頂板巖層相當(dāng)于采高的倍數(shù)，取8倍采高；γ為頂板巖石視密度，2.60 t/m3；M為工作面最大實(shí)際采高，2.1 m；η為支架的支護(hù)效率，取0.9。

將數(shù)值帶入得：P=0.476 MPa。

2.1.1.2 支架工作阻力計(jì)算

式中：F為工作阻力，kN；P為支護(hù)強(qiáng)度，MPa；S為支架支護(hù)的頂板面積，S=3.9 m×1.5 m=5.85 m2；

將數(shù)值帶入得：F=2 783 kN。

考慮支架支護(hù)效率及井下一些不確定因素，支架應(yīng)有一定富裕系數(shù)，故工作阻力應(yīng)適當(dāng)提高，最終取3 800 kN。

2.1.2 選型

結(jié)合井下最低運(yùn)輸高度，根據(jù)工作面實(shí)際最大和最小采高，綜合支架立柱合理伸縮比，圣華煤業(yè)3號煤回采工作面支架型號確定為ZF3800-15-23輕型放頂煤液壓支架。

2.2 支架結(jié)構(gòu)與組成

經(jīng)過邁實(shí)軟件校核以及三維模擬設(shè)計(jì)，該輕型支架主要由頂梁（含伸縮梁）、掩護(hù)梁、底座、前后連桿、尾梁、插板、推移桿及單側(cè)活動(dòng)側(cè)護(hù)板、液壓系統(tǒng)等組成，具體設(shè)計(jì)及要求如下：

1）支架設(shè)計(jì)采用正四連桿穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，四連桿為前雙、后單連桿布置形式；

2）頂梁為整體頂梁帶伸縮梁結(jié)構(gòu)，支架采用單側(cè)活動(dòng)側(cè)護(hù)板，另一側(cè)焊接固定牢固；

3）頂梁前端設(shè)置起吊掛鉤及噴霧裝置；

4）頂梁與掩護(hù)梁鉸接處采取擋矸措施；

5）底座為整體剛性底座，底板中后部開擋，前部為滑撬形式；

6）支架推移機(jī)構(gòu)采用“正推移千斤頂+短推桿”的結(jié)構(gòu)形式；

7）主體結(jié)構(gòu)件鉸接銷軸采用擋板型式；

8）設(shè)計(jì)預(yù)留足夠的人行通道，保證操作人員在工作面的順利通行；

9）腳踏板采用花紋板設(shè)計(jì)形式；

10）支架各類大結(jié)構(gòu)件設(shè)吊裝環(huán)或孔；

11）支架最大運(yùn)輸長度不超過5 500 mm；

2.3 三維仿真及設(shè)計(jì)簡圖

1）三維仿真模型簡圖見圖1。

圖1 ZF3800-15-23輕型支架三維模型示意圖

2）總圖設(shè)計(jì)簡圖見圖2。

圖2 ZF3800-15-23輕型支架設(shè)計(jì)總圖示意圖

2.4 支架特點(diǎn)

1）通過有限元分析，采用Q550高強(qiáng)板設(shè)計(jì)，使得支架重量較輕，為礦方降低了成本投入，同時(shí)對支架升降、搬運(yùn)、組裝和運(yùn)輸?shù)葴p輕了負(fù)擔(dān)；

2）控頂距較短，減小了頂板的撓曲變形量和底板的鼓起變形量，保證了支架使用的穩(wěn)定性和采掘的安全性；

3）支架立柱采用適當(dāng)增大傾角設(shè)計(jì)，給煤層增加一個(gè)主動(dòng)水平力，對減少冒頂有著重要意義[3-5]。

3 結(jié)論

本支架現(xiàn)已在圣華煤業(yè)3號煤工作面完成支護(hù)工作2年，經(jīng)礦方反映，使用狀況良好。

本支架可廣泛適用于一些綜放工藝采煤、工作面內(nèi)地質(zhì)條件較為簡單、實(shí)煤開采量和開采年限都有限、井下運(yùn)輸和安裝要求重量輕、支護(hù)設(shè)備投資能力有限的中小型礦井，能有效提升礦井煤炭產(chǎn)量，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，為礦井安全生產(chǎn)提供強(qiáng)有力的機(jī)械設(shè)備支撐。