超長軟頂綜采工作面液壓支架選型研究

郭 超，李 麗，李新旺，王漢青

（1.冀中能源峰峰集團 梧桐莊礦，河北 邯鄲 056200；2.河北工程大學土木工程學院，河北 邯鄲 056038；3.河北工程大學礦業與測繪工程學院，河北 邯鄲 056038；4.河北工程大學河北省高校煤炭資源開發與建設應用技術研發中心，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

液壓支架是礦井工作面綜合機械化采煤主要的技術裝備之一，合理的液壓支架選型可減少回采過程中工作面出現頂板冒頂、支護強度和阻力不足等礦壓顯現問題[1]。因此，制定合理的液壓支架技術參數及其適用性研究來提高支架穩定和工作性能，是保障礦井安全回采的重要方面。

為了探究液壓支架主要技術參數在選型過程中對工作面開采的影響，眾多學者開展了大量的研究。杜偉劍等[2]根據礦井設備應用的“三機”原則及磁窯溝煤礦綜采工作面的地質條件，并進行了相關參數計算；陳貴廷[3]通過理論計算與工程實踐，選取ZY8000/25/50 型液壓支架應用于榆樹坡5105工作面，取得了較好的實踐效果；魏武豪[4]以塔山煤礦8226 綜采工作面為工程背景，利用理論計算得到液壓支架支護強度、支架高度及工作面阻力等主要技術參數，確定了選用ZF17000/27.5/42D 型支架用于放頂采煤；康志鵬等[5]對顧北煤礦13121 工作面開采條件進行分析并建立力學模型，確定選用ZZ13000/24/50 型支撐掩護式液壓支架，并分析了支架適應性程度；秦小云[6]以寺河礦4301 大采高超長工作面為背景，利用現場實測與理論計算等方法，對ZY12000/28/62D 型液壓支架進行了適應性研究，結果表明各項參數符合該工作面的安全生產要求。本文以梧桐莊煤礦182605 超長軟頂工作面為研究背景，通過地質資料調查、理論計算和數值模擬，對該工作面液壓支架的技術參數進行確定，并根據合理的選型參數最終選取適用于梧桐莊礦井182605 綜采工作面的液壓支架型號。

1 概 況

梧桐莊煤礦182605 工作面位于井下六采區2號煤層，原182605 工作面劃分為182605下工作面和182605 工作面進行回采。182605下工作面設計走向長度640 m，傾向長度202 m，煤層底板標高為-570—-670 m。工作面里段煤層平均傾角6°，外段煤層傾角6°～44°，平均煤厚為3.45 m，且煤厚整體變化不大。基本頂厚度為3.30 m，直接頂厚度為5.71 m，基本底厚度為8.90 m，直接底2.40 m，頂底板巖層特征見表1。

表1 頂底板巖層巖性特征Table 1 Lithological characteristics of roof and floor strata

2 支架主要技術參數確定

2.1 支架支撐高度

通常放頂煤支架的最大結構高度大于最大采高0.2 m 左右的原則，故支架最大支撐高度計算公式如下：

式中：Mmax為182605 工作面最大采高，取3.6 m。

根據上述公式計算和煤厚及其賦存條件，并考慮直接頂因素及目前較為成熟架型及雙伸縮立柱結構設計，支架最大與最小支撐高度分別確定為4.2 m 和1.9 m。

2.2 支架中心距確定

選擇匹配的液壓支架中心距應根據不同開采條件和不同工作阻力進行選取，主要依據礦井運輸條件、開采工作面長度和配套設置之間的關系確定。超長工作面開采勢必會導致液壓支架的工作阻力增加，須使液壓支架中心距增加來緩解因阻力過大產生的安全隱患，避免礦井事故的發生。通過對大量礦井液壓支架采用的中心距大小進行調查實證，常用的液壓支架主要使用1.5 m 和1.75 m 中心距。結合182605 工作面的煤厚、地質條件及經濟性并根據國家標準中對液壓支架中心距的要求，綜合考慮選取液壓支架中心距為1.5 mm。

2.3 支架支護強度和工作阻力

根據受力平衡條件，頂板壓力與支護阻力一致時達到平衡。支護阻力不足會導致頂板較早地下沉壓架和頂板離層破碎，但如果僅考慮大的支護強度來保證安全，會增加設備重量和資金投入，也不利于井下搬運和安裝。因此，需要確定合理的支架支護強度。

（1） 巖重法。

根據經驗公式，工作面支架支護強度與工作面實際采出煤層厚度有關，通常為采高的6～8 倍，可用下式進行計算：

式中：n 為支護強度與采高的倍數關系；HM為采高，取3.3 m；γ 為上覆巖層密度。根據182605 工作面實際地質條件，代入數據計算可得P 為0.542～0.723 MPa。

（2） 頂板分類法。

對支架支護強度的計算，主要以頂板類型為基準，即：

式中：PKP為頂板系數，輕型頂板取1.0，中型頂板取1.5，重型頂板取2.0；MB為最大采高，取3.3 m。根據182605 工作面實際地質條件，頂板系數取1.5。計算后可得P 為0.801 MPa。

（3） 傳遞巖梁法。

對于回采工作面頂板巖層的控制，其運動發生時間和范圍等因素是決定工作面頂板壓力大小的關鍵。大量煤炭開采工程中實例表明，受開采影響的范圍是較為有限的，起到作用的巖層主要包括直接頂和老頂，形成如圖1 所示的“傳遞巖梁”結構形態。本文基于礦山壓力理論，并利用鄭州煤礦機械有限公司研發的液壓支架與圍巖關系模型分析系統，對回采工作面上覆巖層運動發展規律及礦山壓力分布和顯現發展規律進行數值模擬。

圖1 “傳遞巖梁”理論結構示意Fig.1 Theoretical structure of'transfer rock beam'

圖2 和圖3 分別給出了頂板初采來壓和頂板周期來壓壓力數值模擬值。從圖中可以看出，工作面推進至45 m 時，煤壁前方10 m 處Kmax為1.12；工作面推進至370 m 時，煤壁前方10 m 處Kmax為1.97。

圖2 頂板初采來壓壓力模擬值Fig.2 Roof initial mining pressure simulation value

圖3 頂板周期來壓壓力模擬值Fig.3 Roof periodic pressure simulation value

根據上述3 種工作面支架支護強度計算方法，計算結果匯總見表2。

表2 3 種方法計算支架支護強度結果Fig.2 Roof periodic weighting pressure simulation value

綜合上述計算結果分析，并考慮工作面支架使用的安全性和經濟合理性，支架支護強度應不小于0.823 MPa。據此對支架工作阻力進行計算。由配套尺寸、支架的頂梁長度和空頂距，可得：

式中：F 為液壓支架工作阻力；q 為液壓支架支護強度，取0.823 MPa；LK和LD分別為空頂距與液壓支架頂梁長度；B 為支架中心距，取1.5 m。根據以上計算得支架工作阻力為6 247 kN，最終圓整為6 400 kN。

2.4 支架初撐力

合理的支架初撐力對于減小煤幫外臌量和頂板下沉量，緩解圍巖壓力和提高支架工作阻力，以及在應對片幫、煤壁變形等方面具有重要的控制作用。結合182605 工作面實際情況，對于的大采高和超長工作面的支架初撐力與支架工作阻力的比例系數μ 取75%～80%。初撐力計算公式如下：

根據182605 工作面煤層頂板穩定性情況，結合頂板周期垮落特征及液壓支架放煤對頂煤的反復破碎能力，液壓支架初撐力確定為5 232 kN。

3 綜采工作面支架選型確定

3.1 支架選型參數確定

經過支架主要技術參數的合理確定，結合礦井原有ZZ4800/18/9D 支架運輸不能適用于當前的開采條件，最終確定梧桐莊礦182605 回采工作面采用ZZ6400/19/42D 四柱支撐掩護式液壓支架，主要技術參數如下：

高度/mm 1 700~3 500寬度/mm 1 430～1 600中心距/mm 1 500初撐力/kN 5 232工作阻力/kN 6 400平均支護強度/MPa 0.75～0.8平均對底板比壓/MPa 2.3～2.5移架步距/mm 630適應傾角/（°） ＜45

3.2 軟頂與大傾角控制關鍵技術

復合軟頂板存在容易發生煤壁片幫和破碎等問題，以及大傾角綜采工作面開采環境較為復雜。為解決182605 回采工作面軟頂和大傾角控制的關鍵問題，采用的ZZ6400/19/42D 四柱支撐掩護式液壓支架為支架側護板全封閉型，并設計伸縮梁機構，伸縮梁行程為700 mm，大于截深630 mm；設計一級護幫板，小四桿機構，保證護幫力；加大前梁千斤頂缸徑（選用是φ160 mm），調頂壓力調整至40 MPa；支架活動側護板調整支架姿態，加強型側護板設計；底座寬度適當加寬，增加自身抗傾倒能力，并設計底調橫梁，配置2 個調底座千斤頂；底座設計長推桿結構，以增加防滑能力。

ZZ6400/19/42D 型四柱支撐掩護式液壓支架實體如圖4 所示。

圖4 ZZ6400/19/42D 型四柱支撐掩護式液壓支架Fig.4 ZZ6400/19/42D four-column support shield hydraulic support

3.3 現場實踐效果和經濟效益

選用ZZ6400/19/42D 型液壓支架，較以往支架工作阻力增大，采高范圍增大，增加了煤炭資源的回收率，能更好的適應182605 回采工作面的工況，使工作面推進度可達10 刀水平，并有效控制了頂板出現冒頂和流砟等事故發生，防止了從架間、架縫和頂梁鉸接處掉落碎砟，很大程度的減少了工人清砟工作量，且操作便捷。在經濟效益方面，182605 工作面平均月產量相比原有生產能力提高了2 萬t，全年增加收益近24 000 萬元；降低了工作面支架檢修次數，以服務年限18 個月計算，可節省人工費72.9 萬元。

4 結 論

（1） 通過理論計算得出梧桐莊煤礦182605 工作面回采所需液壓支架最大與最小支撐高度分別確定為4.2 m 和1.9 m。通過對3 種方法計算結果分析，確定支護最佳強度為0.832 MPa，據此設計支架工作阻力為6 400 kN。

（2） 采用ZZ6400/19/42D 型四柱支撐掩護式液壓支架，對工作面出現的軟頂和大傾角問題具有較好的控制作用，且具有防倒防滑性能、運行平穩和安全可靠等優點。

（3） 該型液壓支架較以往支架工作阻力增大，采高范圍增大，增加了煤炭資源的回收率，能更好的適應182605 工作面的實際情況，且具有較好的經濟效益。