薄煤層液壓支架存在的問題與應對建議

馬艷偉

（華陽一礦機電工區綜機隊，山西 陽泉 045000）

薄煤層開采技術難度大，其開采過程需要采用先進的采煤技術和設備。而在薄煤層開采過程中，液壓支架是關鍵設備，其承載能力、適應性、穩定性、靈活性和安全性等對薄煤層開采至關重要。因此，探討薄煤層開采的支護特點和液壓支架的關鍵技術，研發適用于薄煤層開采的液壓支架技術具有重要意義[1-3]。

1 薄煤層開采現狀

煤層的厚度是決定開采難度的重要指標。一般而言，厚度不足0.8 m 的煤層稱之為極薄煤層，厚度在0.8～1.3 m 的煤層稱之為薄煤層，這兩種厚度較薄的煤層開采難度較大[4]。隨著煤礦中厚、厚煤層煤炭資源的枯竭，煤礦開采機械化技術的進步，以前難以開采的薄煤層也越來越得到煤礦企業的重視，許多煤礦將其作為主要的開采資源[5]。在薄煤層開采過程中，需要的勞動強度更大，且受到空間限制，無法使用大型的機械化生產工具，因此許多煤礦的薄煤層開采效率很低。從薄煤層資源儲量方面來看，據調查統計，我國95 個重點煤炭生產單位80 多個集團公司，10 多個省的400 多個礦井都賦存有薄煤層或極薄煤層，保有工業儲量達90 多億t，可采儲量約60 億t，約占煤炭總可采儲量的20%[6-7]。而我國薄煤層的產量僅占煤炭總產量的10%左右，遠低于儲量所占的比例，造成了產量和儲量的比例失調，部分資源長期未得到開采[8]。

2 煤層概況

華陽五礦己15-32010 工作面位于礦井東部邊界，西部為實體煤層。煤層厚度為0.65～1.2 m，平均厚度1.05 m，煤層平均傾角7°，最大傾角21°。煤層結構復雜，含有2 層夾矸，但整體穩定可采。煤層直接頂為厚度0～1.5 m 的粉砂巖，老頂為平均厚度3.3 m 的砂巖，屬于Ⅱ類頂板。直接底板是砂質泥巖。

己15-32010 工作面采用綜采工藝，使用ZY3200/07/15 型兩柱掩護式液壓支架和MG330/730 采煤機，選用SGZ630/150 型刮板輸送機和SZD-630/75P 型轉載機進行輸送，順槽運輸采用SSJ800/2×55kW 型可伸縮膠帶運輸機。

3 薄煤層超前支承壓力分析

煤礦工作面進行開采時，采空區上方的巖層將載荷向煤壁前方轉移，形成支承壓力帶。由于支承壓力的作用和開采撓動的影響，隨著支承應力逐漸增加，煤壁一定深度內的煤體已進入塑性或破裂狀態。根據支承應力峰值位置，煤壁前方的支承應力范圍被通常劃分為非彈性區和彈性區兩個區域。非彈性區也稱為極限平衡區，當煤壁邊緣形成的集中應力超過煤體的單軸抗壓強度時，煤體破壞，承載能力下降，應力集中位置向煤壁深部轉移，應力轉移可能會破壞內部一定范圍內的煤體。當煤壁深度增加時，煤體受力狀態逐漸由二向轉為三向，承載能力逐漸提高，煤體的破壞程度將越來越輕，最后在內部某一位置煤體的強度和集中應力達到平衡，這個位置范圍內的煤體均處于極限平衡狀態。彈性區則表現為支承壓力隨著距煤壁距離的增加而衰減的負指數曲線。

對于薄煤層，由于采高小，最大支承壓力的峰值位置更靠近煤壁，支承壓力的影響范圍更小。此外，礦壓顯現程度更低，支柱或支架壓力較小，頂板來壓強度較低，動載沖擊較小，增加了滾筒截割難度。工作面上下順槽圍巖變形及破壞的程度也較小，出口及超前支護相對容易。

圖1 支承壓力分布區

4 薄煤層液壓支架選型要求

4.1 架型選擇

液壓支架的選型需要考慮多種因素，包括開采地質條件、運輸條件與其配套的設備等。在國內，薄煤層液壓支架的架型主要采用兩柱掩護式，而在國外，如俄羅斯、烏克蘭等國家，薄煤層液壓支架常用四柱支撐掩護式。在選擇液壓支架的架型時，需要根據工作面的地質條件進行差異化選擇，以保證支架能夠滿足工作面的需要。

薄煤層開采對液壓支架的要求比較特殊，還需要考慮支架的重量、強度和剛度等因素。由于空間有限，液壓支架的尺寸需要盡可能與所開采的薄煤層厚度相適應。在薄煤層開采中，為了保證通風和行人空間，支架前梁通常會比較長，這會導致支架底座前端壓力大于后端壓力，導致支架前端架腳扎底現象。這個問題在底板較軟的煤層中選擇薄煤層液壓支架時尤其需要考慮。在頂梁偏載時，頂梁、掩護梁、前后連桿上的應力都較大，柱窩附近和墊塊附近的應力值也較高。上下端頭支架受采面輸送機的影響，容易造成端頭支架落后于中間支架，導致支護困難。因此，在設計薄煤層端頭液壓支架時，應該考慮使用前伸縮梁或更長的前梁，并將伸縮梁千斤頂嵌入支架頂梁內以確保梁下高度。

4.2 控制系統設計

電液控制系統是液壓支架的核心控制系統之一。液壓支架需要實現千斤頂的升降、連桿的伸縮、液壓缸的轉動等復雜動作，這些動作的實現需要精密的控制系統來調節液壓系統的壓力、流量等參數，以確保支架的穩定性和安全性。薄煤層液壓支架電液控制系統的引入使得支架的控制更加智能化、精確化，同時還可以實現遠程控制，提高了生產效率和安全性。

5 應用中存在的問題及建議

5.1 存在的問題

（1）采高限制。確定薄煤層支架的高度非常重要，如果高度過低，就會損失更多本來就很薄的煤炭資源；而如果高度過高，就會給薄煤層開采來困難（要破頂、底巖）。因此，支架高度應根據礦區煤層條件和薄煤層支架設計規范確定。為了應對煤層厚度變化和局部冒頂等情況，防止支架頂空倒塌，保證支架能夠發揮正常的支護作用，應按照煤炭行業標準《液壓支架設計規范》（MT/T 556.1996）的規定選取支架的最大結構高度。

（2）工作阻力設計。由于薄煤層工作面采高低、采空區頂板易冒落充填，且老頂易形成平衡拱，一般情況下工作面礦壓不明顯。如果支架工作阻力太高，雖然可以減小受到頂板運動的干擾，保證頂板的控制，但是會降低煤壁的支承壓力，不利于煤壁的穩定。

（3）各部件結構設計不合理。在實際應用中，許多液壓支架的結構件設計不合理，不適用于薄煤層對于結構緊湊和相關強度要求。

（4）支架重量超重。由于薄煤層的作業空間有限，在液壓支架進入工作面或在其中移動時，由于液壓支架較重量，增加了工作面移架等工序的難度。

（5）缺少遙控和視頻系統。薄煤層工作面比較低矮，工作人員在其中行走不便，容易發生人身事故。因此，除了需要配置性能優良的電液控制系統的薄煤層液壓支架的操作系統外，還應當增加工作面遙控和視頻等控制系統，便于遠程控制操作。

5.2 相關建議

圖2 適用薄煤層的液壓支架

（1）采高設計中應注意的問題。支架需要調整采高范圍大，可采用雙伸縮立柱來提高調高比。為了保證支架在低位狀態工作時的支護效率，最好選擇盡量小的立柱傾角，同時滿足最小支護強度要求。為了保證行人安全和通行的舒適性，支架中需要設計人行通道，其寬度應不少于0.6 m，凈高度為0.4 m。

（2）工作阻力設計建議。確定支架工作阻力的原則是在保證控制頂板的前提下盡可能降低工作阻力，以增加煤壁附近的支承壓力，使煤體破壞更加充分，有利于滾筒割煤。

（3）為了實現薄煤層液壓支架的緊湊設計和結構交叉布置，采用單平衡千斤頂和雙前連桿，以側投影重疊，形成最小高度，而彼此又不干涉。支架推桿前部多數設計為板式，以保證強度和剛度，而薄煤層支架推桿前部則采用薄箱形斷面，厚度為100 mm。為減少事故，頂梁和掩護梁設計成整梁，不設置活動側護板。板式推桿剛性好，滿足推溜和移架過程中的強度要求，同時為人行通道節約出空間。在薄煤層工作面，由于頂板完整且容易形成平衡拱，通常不需要設立可活動的側護板。

（4）增加遙控和視頻技術的應用。通過安裝攝像頭和監控系統，可以實現對支架周邊環境的實時監控，預防事故的發生，同時還可以方便管理人員進行遠程監控和調度。

6 結語

薄煤層開采對于提高煤炭資源的利用率具有重要意義，液壓支架作為薄煤層開采的關鍵設備之一，其性能的優劣將直接影響采煤效率和安全生產。因此，我們需要持續關注薄煤層開采液壓支架技術的創新和技術進步，為實現高效、安全、可持續的煤炭開采做出更大的貢獻。