基于支架與圍巖耦合關系液壓支架安全優化設計

康靖敏

（晉能控股裝備制造集團大同機電裝備有限公司中央機廠， 山西 大同 037001）

引言

現階段，針對機采高度為6～7 m 的大采高綜采技術已趨于成熟，許多煤礦已實現千萬噸量產，但7 m以上的大采高綜采技術仍不完善，在實際生產中超大采高綜采工作面極易發生冒頂事故，嚴重危害企業安全生產。本文將以某煤礦8.0 m 超大采高綜采工作面的ZY21000/38/82D 型液壓支架為例，對超大采高綜采技術進行分析研究，提出運用基于支架與圍巖耦合關系的液壓支架安全設計研究方法，通過提升支架與圍巖強度的耦合關系，提升8.0 m 超大采高綜采技術的支護穩定性，提升超大采高綜采安全系數。

1 超大采高工作面穩定性分析

工作面開采厚度的增大會導致采煤機割煤后發生冒落的直接頂板因無法及時充分填充，而使工作面頂板巖層由回轉失穩轉變為滑落失穩，造成開采擾動的范圍擴大。滑落失穩與回轉失穩斷裂結構對比圖如圖1 所示。支護空間、礦壓以及巖層運動強擾動的變大使得圍巖穩定性大幅度降低，極易發生煤壁片幫，使得冒頂事故發生概率大大增加[1]。

圖1 滑落失穩與回轉失穩斷裂結構對比圖

通過對某煤礦進行實測分析后發現：

1）超大采高工作面大小周期來壓與動載礦壓明顯，動載沖擊、壓架等事故發生概率大。

2）液壓支架承受頂板巖層斷裂的載荷主要包括靜載荷與動載荷兩部分，需對圍巖施加初撐力與工作阻力。液壓支架應具有伸縮功能，以達到利用圍巖自承載能力的目的。

3）支架與圍巖的耦合包括支架與圍巖強度、剛度以及穩定性的三部分耦合關系。圍巖強度決定上覆巖層斷裂失穩造成的載荷，液壓支架應適應其載荷作用位置與大小的變化；壓架事故的發生大多由于巖層斷裂的沖擊引起，沖擊載荷是否造成事故與液壓支架的支架剛度、強度相關；工作面采高的增大會導致圍巖穩定性下降，這時就需要液壓支架與圍巖的穩定性相互配合，通過優化液壓支架穩定性能，降低事故發生概率，提高作業空間安全性[2]。由于ZY21000/38/82D型液壓支架剛度與穩定性要求符合，故本文主要以強度耦合為主要研究對象。

2 基于支架與頂板強度耦合液壓支架設計

對于超大采高，由于開采高度的增大，使得直接頂垮落后的采空區難以填充，直接頂巖層的自承載結構無法形成，使斷裂巖層形成懸臂梁結構。亞關鍵層1、直接頂巖層和隨動巖層發生垮落后會對采空區實施填充，使亞關鍵層2 在發生斷裂后形成回轉失穩，形成砌體梁結構。故超大采高工作面上覆巖斷裂形式為砌體梁+懸臂梁。

砌體梁+懸臂梁的斷裂形式在亞關鍵層1 斷裂，并迫使亞關鍵層2 斷裂時，液壓支架最容易發生壓架事故。針對這一現象，本文提出了運用雙伸縮立柱與高壓升柱系統的方法進行增容緩沖抗沖擊，以提高液壓支架對頂板沖擊載荷的抵抗性，增加液壓支架穩定性。雙伸縮立柱具有緩沖的效果，當頂板受到沖擊載荷較大時，立柱內的大流量安全閥會發生快速泄液；當沖擊載荷較小時，小安全閥會開啟，從而有效保證液壓支架的穩定性。高壓升柱系統可保證液壓支架初撐力穩定，防止頂板離層等現象，保證支架穩定。在升柱過程中，立柱下腔會在立柱接頂后壓力增高，當下腔壓力高于控制閥調定壓力值時，會打開升柱控制閥，由升柱系統向下腔補液增壓[3]。其主要設備圖如圖2，圖3 所示。

圖2 雙伸縮立柱設備示意圖

圖3 高壓升柱系統設備示意圖

3 基于支架與煤壁強度耦合液壓支架設計

煤壁的片幫現象會隨著采高高度的不斷增加呈跳躍式的增長，片幫不但會危及工作人員安全，同時也會增加液壓支架空頂距離，加大冒頂概率。采高的增加會使煤壁的暴露面積增大，降低煤壁穩定性，提高煤壁片幫概率，增加冒頂事故的發生。

經研究發現，某煤礦的煤壁破壞以拉裂破壞為主，但拉裂破壞并不一定會引發煤壁的片幫，拉裂破壞只是煤壁片幫的先決條件，只有進一步發生滑落失穩后才會發生片幫現象。故煤壁片幫形式為拉裂-滑落兩個過程。針對這一現象，本文采用伸縮梁與護幫板分體式結構三級協動護幫的方法進行液壓支架可靠性保證，該方法可使液壓支架初撐力得以有效提升，使液壓支架對煤壁片幫更具適應性[4]。伸縮梁與護幫板分體式結構不但可以通過護幫板對煤壁施加支護力，并且還可以通過伸縮梁對煤壁上部施加支護力，較連體結構僅可通過三級護幫板的支護力更加穩固；煤壁片幫的最容易發生點位于0.35 倍采高距頂板處的位置，伸縮梁與護幫板分體式結構可使合力作用點距離片幫易發生點位置更近，可更加有效地防止片幫的發生；伸縮梁與護幫板分體式結構的結構強度與穩定性也較連體結構更優，其可靠性與穩定性更高；伸縮梁的主要功能為對頂板巖層破碎處進行臨時支護，伸縮梁與護幫板的分體設計可更大地發揮伸縮梁對煤壁上端進行水平支護的作用，增強液壓支架整體的支護穩定性[5]。其具體示意圖如圖4 所示。其中，1 為支架頂梁，2 為支架伸縮梁，3 為支架伸縮千斤頂，4 為一級護幫板，5 為一級護幫千斤頂，6 為二級護幫千斤頂，7 為三級護幫千斤頂，8 為二級護幫板，9為三級護幫板。

圖4 三級協動護幫示意圖

4 液壓支架測試效果分析

將上述改進方案應用于原液壓支架并進行實際測試后發現，ZY21000/38/82D 型液壓支架支護良好，支護強度達到1.68～1.79 MPa，各機械構建與設備運行良好，開采初期未發現片幫現象，當推進至100 m時，有片幫局部出現，當推進至120 m 以后，片幫深度約為0.3 m，片幫深度符合相關設計要求，未發生冒頂等事故，符合設計要求。

5 結論

現階段，我國針對高度7 m 以上的超大采高采技術仍不完善，煤礦企業超大采高綜采工作面冒頂事故頻發，針對這一現象，本文提出了基于支架與圍巖耦合關系的液壓支架安全設計優化方法，通過優化設計研究得出了以下結論：

1）大采高工作面大小周期來壓與動載礦壓明顯、液壓支架承受頂板巖層斷裂的載荷主要包括靜載荷與動載荷兩部分、支架與圍巖的耦合包括支架與圍巖強度、剛度以及穩定性的三部分耦合關系。

2）運用雙伸縮立柱與高壓升柱系統的方法可有效提高液壓支架與頂板強度的耦合，采用伸縮梁與護幫板分體式結構三級協動護幫的方法可有效提高液壓支架與煤壁強度的耦合。

3）運用上述方法進行液壓支架的優化設計并應用于實際后發現，液壓支架支護良好，片幫深度符合相關設計要求，未發生冒頂等事故，可應用于實際生產之中。