基于綜合類比法實現液壓支架的選型研究

姚鵬程

（山西煤炭運銷集團馬家巖煤業有限公司，山西 太原 030300）

引言

目前，我國絕大多數煤礦已經處于綜采時代。綜合機械化開采工藝包含有破煤、裝煤、運煤、支護以及后處理五個階段。對于支護環節而言，在實際生產中可通過液壓支架和錨桿+錨索聯合支護方式對工作面進行支護。其中，液壓支架作為綜采工作面的關鍵支護設備，根據工作面得實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的安全性[1]。因此，在實際生產中需結合煤礦工作面的礦壓顯現規律和頂底板情況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對工作面頂板進行有效、穩定支護，在實際選型中除了結合工作面礦壓顯現規律和頂底板情況外，還需遵循一定的原則，并按照合理步驟進行選型設計。

1.1 液壓支架的選型原則

1）保證液壓支架的支護強度與工作面的顯現規律相符合，確保液壓支架能夠將頂板的移近量控制到最小；

2）所選型液壓支架的結構與煤層結構相匹配[2]。主要表現為：液壓支架的支護高度與對應開采工藝的采高相匹配；同時，當工作面煤層傾角較大時還需為液壓支架配置相應的防滑裝置；

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

4）所選型液壓支架對底板的比壓在合理范圍之內，其值不得超過工作面底板的最大抗壓強度。對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條件、礦壓顯現規律和工作面所采用的開采工藝；

2）根據上述情況完成液壓支架的選型；

3）結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強度、工作阻力以及支護高度等參數[4]。

2 液壓支架選型實例研究

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，著重對該工作面的液壓支架進行選型，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，整個工作面的煤層厚度相對均勻，且煤層結構簡單，屬于穩定型煤層。工作面煤層的平均傾角小于10°。42101 工作面煤層的頂底板情況如表1 所示：

表1 42010 工作面頂底板情況

42101 工作面采用綜合機械化開采工藝，該工藝對應的采高范圍為1 m；工作面的走向長度為1.82 km，工作面的寬度為400 m。

2.2 204 工作面與42101 工作面的對比

204 工作面為該煤礦已經開采的工作面，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 工作面的主要區別表現為如下三點：

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粒砂巖；204 工作面頂板的主要成分為粉砂巖、砂質泥巖和中粒細砂巖。

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

表2 ZY9200/12.3/22.3D 液壓支架關鍵參數

3 42101 工作面液壓支架的選型

結合上述研究，本節重點對液壓支架類型、液壓支架工作阻力、液壓支架支護強度、液壓支架支護高度以及液壓支架的其他關鍵參數進行設計。

3.1 液壓支架類型的確定

結合42101 工作面煤層、頂底板的實際情況，并與204 工作面參數進行對比，最終確定參照204 工作面液壓支架的類型，即采用兩柱掩護式液壓支架對工作面42101 工作面進行支護。

3.2 液壓支架工作阻力及支護強度的確定

液壓支架工作阻力和支護強度的兩項參數為其關鍵參數，該參數確定的合理性直接決定液壓支架后期的支護效果和對圍巖頂板的控制效果。本節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強度。

3.2.1 基于類比法確定液壓支架的工作阻力和支護強度

42101 工作面液壓支架工作阻力和支護強度參數的確定類比的對象為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 工作面對應的采高h1為1.9 m，42101 工作面對應的采高h2為1 m，兩工作面的采高比h2∶h1=0.53。則，對應42101 工作面的工作阻力最小應該滿足：0.53×9 200 kN=4 876 kN。

在實際支護中，由于204 工作面煤層的厚度較小，導致其液壓支架的支撐能力降低，204 工作面液壓支架的實際工作阻力為6 193 kN；按照1.1 倍的類比系數，換算得出適用于42101 工作面液壓支架的工作阻力應滿足：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強度和頂板壓力的具體闡述。經類比研究得出如表3 所示的結果：

表3 基于類比法確定42101 工作面工作阻力和支護強度的結果

3.2.2 基于頂板模型法確定液壓支架的工作阻力和支護強度

結合42101 工作面的特征，在實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算公式如式（1）所示：

式中：Mz為直接頂的厚度，取2.9 m；fz為直接頂的懸頂系數，取1.85；γz為直接頂的容重，取24.6 kN/m3。經換算得出，42101 工作面直接頂壓力A=0.132 MPa。

回采時，老頂的壓力計算公式如式（2）所示：式中：ME為老頂的厚度，取7.95 m；γE為老頂的容重，取20.45 kN/m3；KT為老頂的巖重分配系數，取0.2；LK為工作面的空頂距離，取3 m。將數值代入公式得出，42101 工作面老頂的壓力為0.271 MPa。

綜上所述，得出42101 工作面正常開采時的頂板壓力為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式支架，在實際支護過程中由于工作傾角和液壓支架結構尺寸的問題導致液壓支架支護不能夠與工作面垂直。因此，對應液壓支架的支護強度應為頂板壓力的1.33 倍，得出該液壓支架的支護強度應滿足0.4 MPa×1.33=0.532 MPa的要求。

綜合對比基于類比法和理論計算法，確定42101 工作面液壓支架的工作阻力的具體數值為6 812 kN，支護強度的具體數值為0.81 MPa，頂板壓力的具體數值為0.61 MPa。

3.3 液壓支架其他參數的確定

結合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；結合相關的理論計算得出適應于42101 工作面液壓支架的最大支護高度為1.53 m，對應的最小支護高度為0.45 m。綜上所處，確定液壓支架的最大支護高度為1.6 m，最小支護高度為0.55 m。

在上述各項參數確定的基礎上，結合相關理論計算確定液壓支架的中心間距為1.75 m，液壓支架的頂梁結構形式為整體頂梁，對應的護幫機構為二級護幫[5]。

4 結論

1）所選型液壓支架的類型為兩柱掩護式液壓支架；

2）所選型液壓支架對應的工作阻力為6 812 kN，支護強度為0.81 MPa，頂板壓力為0.61 MPa；

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