小紀汗煤礦大工作阻力液壓支架改進設計

程 駿

中煤科工開采研究院有限公司 北京 100013

華電榆橫小紀汗煤礦位于榆林城西北 12.5 km，行政區劃隸屬榆林市榆陽區小紀汗鄉。井田南北寬 7.88～14.33 km，東西長 13.05～23.43 km，面積約 251.75 km2。估算井田地質儲量為 3 171.57 Mt，工業儲量為 2 642.94 Mt，設計可采儲量為 1 801.59 Mt。礦井建設規模為 10.00 Mt/a，設計服務年限為 120.1 a。

1 工作面情況

11213 綜采工作面位于 2 號煤 11 盤區北翼。工作面煤層底板標高為 835～865 m，地面標高為 1 213～1 230 m，工作面推進長度為 3 625 m，工作面長度為 279.5 m。煤層傾角為 0°～1°，平均傾角為 0.7°，煤層厚度為 2.84～5.28 m，平均厚度為 4.70 m。煤層直接頂板以泥巖、粉砂質泥巖為主，其次為中-細粒長石砂巖，少量炭質泥巖；直接底板為泥巖、粉砂質泥巖，其次為泥質粉砂巖、粉砂巖、細粒長石砂巖。工作面采用傾斜長壁后退式全部垮落綜合機械化采煤方法，雙向割煤工序。工作面生產設備配置如表 1 所列。

表1 工作面生產設備配置Tab.1 Configuration of production equipments on work face

2 ZY12000/28/58D 液壓支架使用情況

2.1 液壓支架使用情況

工作面配套使用 ZY12000/28/58D 兩柱掩護式液壓支架。支架工作阻力為 12 000 kN，高度為 2 800～5 800 mm，總質量約 43 t，采用整體頂梁、伸縮梁及二級護幫板的結構形式。

ZY12000/28/58D 液壓支架使用過程中出現了頂梁柱窩焊縫被壓裂、掩護梁腹板焊縫開裂、立柱安全閥大范圍泄壓等問題，如圖 1 所示，影響工作面正常推進。

圖1 現場情況Fig.1 Field situation

2.2 礦壓顯現規律

為保證事故分析的準確性，對兩種方式記錄的礦壓顯現數據進行分析，一種是工作面礦壓監測系統數據，一種是液壓支架電液控制系統采集數據。

2.2.1 礦壓監測系統數據分析

以 88 號支架為例，由工作面礦壓監測系統監測的立柱壓力曲線 (見圖 2) 可知，11213 工作面頂板礦壓顯現強烈，具有明顯的周期來壓特征，且來壓強度大，來壓影響時間長，一般影響距離為 5～7 m，影響時間為 1～2 a。來壓影響時間內，工作面正常推進并不能顯著降低工作面頂板壓力，說明頂板較堅硬，懸頂面積大，垮落步距長。

圖2 11213 工作面 88 號支架立柱壓力曲線Fig.2 Variation curve of pressure of column of support 88 on work face11213

2.2.2 電液控制系統采集數據分析

圖3 所示為工作面電液控制系統通過安裝在立柱下腔的壓力傳感器采集到的支架工作阻力曲線。可以看出，11213 工作面具有明顯的周期來壓特征，非來壓期間，頂板壓力顯現緩和，來壓期間壓力多超過額定工作阻力，并且不同推進位置的來壓規律存在較大差異。工作面推進至 100～180 m，頂板來壓強度較大，支架工作阻力達到或超過了 14 000 kN，來壓期間，支架長時間以 14 000 kN 的高工作阻力運行。

圖3 11213 工作面推進 100～180 m 支架工作阻力曲線Fig.3 Variation curve of working resistance of support during work face 11213 advancing 100～180 m

3 ZY12000/28/58D 液壓支架損壞原因

通過對使用情況及礦壓觀測數據分析，ZY12000/28/58D 液壓支架損壞的主要原因如下。

(1) 工作面初次來壓及周期來壓強度大 由于 11213 工作面直接面對基本頂，頂板完整性較好，并不隨工作面的推進及時冒落，造成采空區懸頂。當懸頂垮落時，頂板采空區一頭著地，另一頭仍然壓在支架上直至頂板完全落地，造成支架較長時間承受頂板壓力而損壞。

(2) 支護強度設計值偏低 工作面安全閥大面積開啟，說明液壓支架支護強度設計偏低。通過調高工作面安全閥壓力可一定程度彌補支護強度偏低的缺陷，但會造成液壓支架結構件安全系數降低。

(3) 支架穩定性差 周期來壓時，支架頂梁極易仰頭，致使壓力集中在掩護梁上，從而造成掩護梁斷裂。

(4) 焊縫質量差 從現場液壓支架斷裂焊縫觀察，焊縫焊接不飽滿，部分焊縫質量較差。

通過對 ZY12000/28/58D 型兩柱掩護式液壓支架頂梁柱窩和掩護梁腹板截面校核 (見圖 4、5)，可知當立柱安全閥開啟壓力由 43.3 MPa 調至 48.0 MPa 時，支架工作阻力可以由 12 000 kN 提高至 13 300 kN，但截面的安全系數由 1.239 降至 1.152。

圖4 頂梁柱窩截面處力學計算 (p=48 MPa)Fig.4 Mechanical calculation at socket section of roof beam (p =48 MPa)

4 ZY15000/28/58D 液壓支架設計

4.1 支護強度確定

圖5 掩護梁前端腹板處截面計算 (p=48 MPa)Fig.5 Mechanical calculation at front web of shield beam (p =48 MPa)

根據礦井實際地質情況建立數值計算模型，采用 UDEC4.0 離散元數值計算工具，進行了支架支護強度為 0.8、1.0、1.2、1.4、1.5、1.6、1.7 MPa 的模擬，得到支架支護強度與頂板下沉量關系曲線，如圖 6 所示。

圖6 支護強度與頂板下沉量關系曲線Fig.6 Relationship curve between supporting strength and roof subsidence

由支架支護強度與頂板最終下沉量關系曲線可知：當支護強度增加到一定值后，支護強度繼續增加對控制頂板下沉量影響較小。通過對圖 6 進行分析發現，當支架支護強度為 1.5 MPa 時，工作面頂板下沉量隨支架支護強度增大而降低的程度明顯減小，建議支架支護強度大于 1.5 MPa。

4.2 支架主要結構特點

通過礦壓觀測及數值模擬，小紀汗煤礦 2 號煤層大采高工作面支架型號由 ZY12000/28/58D 調整為 ZY15000/28/58D (見圖 7)，達到了 1 750 mm 中心距支架的最大工作阻力，支護強度范圍為 1.62～1.68 MPa。

圖7 ZY15000/28/58D 兩柱掩護式液壓支架Fig.7 ZY15000/28/58D two-column shield hydraulic support

ZY15000/28/58D 型液壓支架主要結構特點如下：

(1) 液壓支架為兩柱掩護式電液控制液壓支架，采高范圍為 3.5～5.5 m；

(2) 支架采用整體頂梁，前部設有伸縮梁和二級護幫板；

(3) 頂梁與掩護梁的鉸接處具備防漏矸功能；

(4) 支架設有抬底裝置；

(5) 底座一側安裝底調千斤頂；

(6) 推桿為長推桿，移架步距 865 mm；

(7) 采用強力抗沖擊雙伸縮立柱，立柱缸徑為 450 mm，限位方式由常規內置壓板結構調整為外壓式結構 (見圖 8)。

圖8 立柱外壓限位結構Fig.8 Structure of column limited by external pressing plate

4.3 主要技術參數

ZY15000/28/58D 型液壓支架主要技術參數如表 2 所列。

表2 ZY15000/28/58D 型液壓支架主要技術參數Tab.2 Main technical parameters of ZY15000/28/58D hydraulic support

5 結語

結合使用現場情況及礦壓觀測數據，分析了原設計支架損壞的主要原因。11213 工作面初次來壓及周期來壓強度大，ZY12000/28/58D 液壓支架支護強度不能滿足工作面安全支護要求。通過礦壓觀測及數值模擬，將小紀汗煤礦 2 號煤層大采高工作面支架工作阻力確定為 15 000 kN。

ZY15000/28/58D 液壓支架在設計中提高了立柱抗沖擊性，增大了平衡千斤頂缸徑。該支架在后續11215 等大采高工作面使用中受力工況良好，未發生焊縫開裂、立柱泄壓等現象，可有效支護工作面頂板、防止煤壁片幫，在小紀汗煤礦取得良好的使用效果。