基于綜合類比法實(shí)現(xiàn)液壓支架的選型研究

姚鵬程

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)馬家?guī)r煤業(yè)有限公司，山西 太原 030300）

引言

目前，我國(guó)絕大多數(shù)煤礦已經(jīng)處于綜采時(shí)代。綜合機(jī)械化開采工藝包含有破煤、裝煤、運(yùn)煤、支護(hù)以及后處理五個(gè)階段。對(duì)于支護(hù)環(huán)節(jié)而言，在實(shí)際生產(chǎn)中可通過(guò)液壓支架和錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式對(duì)工作面進(jìn)行支護(hù)。其中，液壓支架作為綜采工作面的關(guān)鍵支護(hù)設(shè)備，根據(jù)工作面得實(shí)際情況選擇最佳的液壓支架往往能夠起到事半功倍的效果，極大地保證了綜采工作面生產(chǎn)的安全性[1]。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中需結(jié)合煤礦工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和頂?shù)装迩闆r完成液壓支架的合理化選型。具體闡述如下：

1 液壓支架選型理論研究

為保證所選型液壓支架能夠?qū)ぷ髅骓敯暹M(jìn)行有效、穩(wěn)定支護(hù)，在實(shí)際選型中除了結(jié)合工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和頂?shù)装迩闆r外，還需遵循一定的原則，并按照合理步驟進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

1.1 液壓支架的選型原則

1）保證液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度與工作面的顯現(xiàn)規(guī)律相符合，確保液壓支架能夠?qū)㈨敯宓囊平靠刂频阶钚。?/p>

2）所選型液壓支架的結(jié)構(gòu)與煤層結(jié)構(gòu)相匹配[2]。主要表現(xiàn)為：液壓支架的支護(hù)高度與對(duì)應(yīng)開采工藝的采高相匹配；同時(shí)，當(dāng)工作面煤層傾角較大時(shí)還需為液壓支架配置相應(yīng)的防滑裝置；

3）所選型液壓支架應(yīng)與綜采工作面的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)相匹配；液壓支架的移架速度應(yīng)與采煤機(jī)的牽引速度相匹配；液壓支架的寬度應(yīng)與刮板輸送機(jī)的中部槽相匹配；

4）所選型液壓支架對(duì)底板的比壓在合理范圍之內(nèi)，其值不得超過(guò)工作面底板的最大抗壓強(qiáng)度。對(duì)于工作面底板較軟的情況，需為工作面配置具備抬底裝置的液壓支架[3]。

1.2 液壓支架的選型步驟

基于“2.1”所述原則的基礎(chǔ)上，還需按照一定的步驟完成液壓支架的選型。具體如下：

1）在液壓支架選型之前必須充分掌握工作面的地質(zhì)條件、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和工作面所采用的開采工藝；

2）根據(jù)上述情況完成液壓支架的選型；

3）結(jié)合所選型液壓支架的類型和工作面的情況具體確定所選型液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度、工作阻力以及支護(hù)高度等參數(shù)[4]。

2 液壓支架選型實(shí)例研究

2.1 42101 工作面概況

本文以某煤礦42101 綜采工作面為例開展研究，著重對(duì)該工作面的液壓支架進(jìn)行選型，該工作面煤層的厚度范圍為0.8～1.26 m，煤層的平均厚度為1.02 m。而且，整個(gè)工作面的煤層厚度相對(duì)均勻，且煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬于穩(wěn)定型煤層。工作面煤層的平均傾角小于10°。42101 工作面煤層的頂?shù)装迩闆r如表1 所示：

表1 42010 工作面頂?shù)装迩闆r

42101 工作面采用綜合機(jī)械化開采工藝，該工藝對(duì)應(yīng)的采高范圍為1 m；工作面的走向長(zhǎng)度為1.82 km，工作面的寬度為400 m。

2.2 204 工作面與42101 工作面的對(duì)比

204 工作面為該煤礦已經(jīng)開采的工作面，該工作面液壓支架將為42101 工作面液壓支架的選型提供參考。204 綜采工作面的基本情況描述如下：204 綜采工作面的煤層厚度范圍為1～2.2 m，煤層的傾角范圍為1°～3°。204 工作面的與42101 工作面的主要區(qū)別表現(xiàn)為如下三點(diǎn)：

1）42101 工作面的煤層厚度較204 工作面的厚度小，相差約0.78 m；

2）42101 工作面煤層的埋藏深度比204 工作面煤層埋藏較深；

3）42101 工作面頂板的主要成分為粉砂巖和細(xì)粒砂巖；204 工作面頂板的主要成分為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和中粒細(xì)砂巖。

目前，204 工作面所配置的液壓支架類型包括有端頭支架、過(guò)渡支架以及中間之間。其中，過(guò)渡支架的數(shù)量為2 臺(tái)，端頭支架的數(shù)量為7 臺(tái)，中間支架的數(shù)量為154 臺(tái)；工作面液壓支架的總數(shù)量為163臺(tái)。中間液壓支架的具體型號(hào)為ZY9200/12.3/22.3D，該型號(hào)的參數(shù)如表2 所示：

表2 ZY9200/12.3/22.3D 液壓支架關(guān)鍵參數(shù)

3 42101 工作面液壓支架的選型

結(jié)合上述研究，本節(jié)重點(diǎn)對(duì)液壓支架類型、液壓支架工作阻力、液壓支架支護(hù)強(qiáng)度、液壓支架支護(hù)高度以及液壓支架的其他關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 液壓支架類型的確定

結(jié)合42101 工作面煤層、頂?shù)装宓膶?shí)際情況，并與204 工作面參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，最終確定參照204 工作面液壓支架的類型，即采用兩柱掩護(hù)式液壓支架對(duì)工作面42101 工作面進(jìn)行支護(hù)。

3.2 液壓支架工作阻力及支護(hù)強(qiáng)度的確定

液壓支架工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度的兩項(xiàng)參數(shù)為其關(guān)鍵參數(shù)，該參數(shù)確定的合理性直接決定液壓支架后期的支護(hù)效果和對(duì)圍巖頂板的控制效果。本節(jié)將采用類比法和頂板模型法綜合確定液壓支架的工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度。

3.2.1 基于類比法確定液壓支架的工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度

42101 工作面液壓支架工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度參數(shù)的確定類比的對(duì)象為204 工作面。

204 工作面目前所選型液壓支架的工作阻力的理論值為9 200 kN。其中，204 工作面對(duì)應(yīng)的采高h(yuǎn)1為1.9 m，42101 工作面對(duì)應(yīng)的采高h(yuǎn)2為1 m，兩工作面的采高比h2∶h1=0.53。則，對(duì)應(yīng)42101 工作面的工作阻力最小應(yīng)該滿足：0.53×9 200 kN=4 876 kN。

在實(shí)際支護(hù)中，由于204 工作面煤層的厚度較小，導(dǎo)致其液壓支架的支撐能力降低，204 工作面液壓支架的實(shí)際工作阻力為6 193 kN；按照1.1 倍的類比系數(shù)，換算得出適用于42101 工作面液壓支架的工作阻力應(yīng)滿足：6 193 kN×1.1=6 812.3 kN。

同理，基于類比法得出42101 工作面液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度和頂板壓力的具體闡述。經(jīng)類比研究得出如表3 所示的結(jié)果：

表3 基于類比法確定42101 工作面工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度的結(jié)果

3.2.2 基于頂板模型法確定液壓支架的工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度

結(jié)合42101 工作面的特征，在實(shí)際開采中工作面頂板壓力主要由直接頂壓力和老頂壓力組成。其中，工作面直接頂壓力的計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：Mz為直接頂?shù)暮穸龋?.9 m；fz為直接頂?shù)膽翼斚禂?shù)，取1.85；γz為直接頂?shù)娜葜?，?4.6 kN/m3。經(jīng)換算得出，42101 工作面直接頂壓力A=0.132 MPa。

回采時(shí)，老頂?shù)膲毫τ?jì)算公式如式（2）所示：式中：ME為老頂?shù)暮穸?，?.95 m；γE為老頂?shù)娜葜?，?0.45 kN/m3；KT為老頂?shù)膸r重分配系數(shù)，取0.2；LK為工作面的空頂距離，取3 m。將數(shù)值代入公式得出，42101 工作面老頂?shù)膲毫?.271 MPa。

綜上所述，得出42101 工作面正常開采時(shí)的頂板壓力為0.132 MPa+0.271 MPa=0.4 MPa。

本工作面所選型的液壓支架的類型為二柱掩護(hù)式支架，在實(shí)際支護(hù)過(guò)程中由于工作傾角和液壓支架結(jié)構(gòu)尺寸的問(wèn)題導(dǎo)致液壓支架支護(hù)不能夠與工作面垂直。因此，對(duì)應(yīng)液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)為頂板壓力的1.33 倍，得出該液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)滿足0.4 MPa×1.33=0.532 MPa的要求。

綜合對(duì)比基于類比法和理論計(jì)算法，確定42101 工作面液壓支架的工作阻力的具體數(shù)值為6 812 kN，支護(hù)強(qiáng)度的具體數(shù)值為0.81 MPa，頂板壓力的具體數(shù)值為0.61 MPa。

3.3 液壓支架其他參數(shù)的確定

結(jié)合42101 工作面煤層的最大厚度和最小厚度分別為1.33 m 和0.8 m；結(jié)合相關(guān)的理論計(jì)算得出適應(yīng)于42101 工作面液壓支架的最大支護(hù)高度為1.53 m，對(duì)應(yīng)的最小支護(hù)高度為0.45 m。綜上所處，確定液壓支架的最大支護(hù)高度為1.6 m，最小支護(hù)高度為0.55 m。

在上述各項(xiàng)參數(shù)確定的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)理論計(jì)算確定液壓支架的中心間距為1.75 m，液壓支架的頂梁結(jié)構(gòu)形式為整體頂梁，對(duì)應(yīng)的護(hù)幫機(jī)構(gòu)為二級(jí)護(hù)幫[5]。

4 結(jié)論

1）所選型液壓支架的類型為兩柱掩護(hù)式液壓支架；

2）所選型液壓支架對(duì)應(yīng)的工作阻力為6 812 kN，支護(hù)強(qiáng)度為0.81 MPa，頂板壓力為0.61 MPa；

3）所選型液壓支架的最大支護(hù)高度為1.6 m，最小支護(hù)高度為0.55 m，中心間距為1.75 m。