開采15＃煤層采用高可靠性液壓支架的探討

李樹軍，趙光明

開采15＃煤層采用高可靠性液壓支架的探討

李樹軍1，趙光明2

（1.晉城煤業集團成莊礦，山西 晉城 048000；2.晉城煤業集團金鼎公司，山西 晉城 048000）

為綜合利用井下煤炭資源，晉煤集團著力15＃煤與3＃煤配采，而15＃煤的開采與3＃煤有很大不同，特別是在工作面的布置和液壓支架的選型方面要求更高。通過對比分析支撐掩護式支架和掩護式液壓支架主要優缺點，提出了適合15＃煤層開采的高可靠性兩柱掩護式高端液壓支架的設計方案，為工作面設計和液壓支架選型提供了可行的技術參考，值得在今后15＃煤開采中推廣應用。

15＃煤層；硬頂板；支撐掩護式支架；兩柱掩護式高端液壓支架；選型

晉煤集團隨著3＃和9＃煤的資源枯竭，15＃煤將成為主采煤層。因此，探索合理先進的煤層開采的配套設備是非常必要的。15＃煤層的頂、底板堅硬、煤層賦存穩定，通過對集團公司各礦15＃煤層的賦存條件和地質構造的分析，參照王臺鋪礦15＃煤層首采面礦壓觀測數據等資料，分析15＃煤層開采使用高可靠性兩柱掩護式高端液壓支架設備的可行性。

1 液壓支架合理參數和架型選擇

目前，15＃煤層開采用的是ZZ8000型支撐掩護式支架。中厚煤層一次采全高液壓支架主要有兩種：掩護式液壓支架和支撐掩護式液壓支架。這兩種液壓支架與工作面圍巖相互作用形式有所不同，使用條件、結構特點等也有所區別。

1.1 支撐掩護式（四柱）支架主要特點

1）由于有兩排立柱，頂梁和底座都較長，通風斷面大，但整體長度較長。

2）前、后柱載荷差別較大，立柱的實際支撐效率較低。

3）支架的伸縮值較小，適應煤層厚度的變化能力較小。

4）由于立柱較多，支架升、降速度較慢。

1.2 掩護式液壓支架主要特點

1）單排立柱支撐，加上平衡千斤頂的作用，支撐合力距離煤壁較近，可有效防止端面頂板的早期離層和破壞。

2）平衡千斤頂可調節合力作用點的位置，增強了支架對頂板的適應性。

3）支架調高比大，對煤層變化較大的工作面適應性較強。

4）支架能使頂板向煤壁水平方向施加支護力，有利于維護頂板的完整。

5）頂梁和底座較短，便于運輸、安裝和拆卸。

傳統觀念認為，掩護式支架適用于基本頂來壓較小、直接頂穩定性差、底板較硬的工作面；支撐掩護式支架適用于穩定頂板和堅硬頂板，支架切頂性能強，底座前端對底板比壓小。隨著國內外煤礦開采對巖層控制認識的深入，新的研究發現，四柱支架由于四個立柱不可能同時受力，實際使用中往往發生前后立柱受力不均勻現象，大部分是后排立柱承載大而前排立柱承載小，掩護式支架由于只有一排立柱，頂板下沉后很容易使立柱完全承載。四柱支架的支撐效率明顯低于掩護式支架。此外，大缸徑立柱及抬底座機構的應用擴大了掩護式支架的應用范圍，從而改變了人們過去對掩護式支架的認識。

近20年來，德國、美國及澳大利亞等發達國家綜采使用的支架均以掩護式液壓支架為主。高工作阻力、高可靠性掩護式支架由于支護合力的提高，切頂能力相應得到提高，也可適應堅硬頂板的條件。另外，掩護式支架結構及操作簡單、方便，動作循環時間短，對提高工作面產量和提高勞動效率明顯，特別適用于高產高效工作面。目前，我國除放頂煤及鋪底網等支架外，支架選型時也采用兩柱掩護式支架，使用后效果明顯。由于它的優越性，目前已經成為國內外的主流架型。

2 液壓支架設計方案

2.1 支架總體設計指標

1）型式試驗按“MT312－2000”標準和歐洲EN標準進行加載型式試驗30 000次。

2）確保滿足單面年產150萬t以上設計能力。

3）支架主體壽命大于30 000次工作循環。

4）控制方式采用電液控制。

2.2 液壓支架主要技術參數的確定

2.2.1 合理支架工作阻力確定

1）參照王臺鋪礦15＃煤層首采面礦壓觀測數據，確定寺河二號井綜采工作面合理支架工作阻力。

王臺鋪礦15＃煤層首采面支架工作阻力觀測見表1，時間加權平均阻力為4 638.659 kN，支護阻力均方差為1 064.533 kN，如按平均值加兩倍均方差，再考慮1.2的安全系數，并考慮支架支護效率0.85～0.95，則推算合理工作阻力應達到8 548～9 554 kN。依據晉城寺河二號井15＃煤層圍巖特點，液壓支架工作阻力選10 000 kN是合適的。

2）對比王臺鋪礦與寺河二號井15＃煤層上覆石灰巖厚度及處理效果確定寺河二號井綜采工作面合理支架支護強度。

如前所述，王臺鋪礦和寺河二號井15＃煤層上覆K2石灰巖厚度分別為8.41～10.26 m（平均9.0 m）和10.29 m。

王臺鋪礦經超前預裂爆破弱化石灰巖后，首采工作面基本頂老頂初次和周期來壓動載系數分別為1.78（最大）、1.58（平均）和2.03（最大）、1.57（平均）。

P＝8·m·r·q＝104 t／m2＞1.0 MPa

式中：

P—依晉城寺河二號井15＃煤層上覆巖層確定的支架應具備的合理支護強度，t／m2；

m—平均采高，m；

r—巖石容重，t／m3。

支架工作阻力的確定見表1。

表1 支架工作阻力的確定表

2.2.2 合理架型選擇

王臺鋪礦15＃煤層綜采首采面采用的是ZZ6000／17／32型支撐掩護式支架，發現采空區側常有懸頂，特別是兩端經常存在三角形懸頂。其中：非基本來壓時，工作面最大懸頂長度達8～10 m，一般端頭三角區懸頂長度4～7 m；中部懸頂2～6 m。

基本頂來壓時，工作面中部懸頂長度2～7 m，兩端懸頂長度2～7 m。顯然，選用四柱支撐掩護式支架切頂能力尚不夠強。

同時應用ZZ6000／17／32型支撐掩護式支架工作面煤壁片幫并不十分嚴重。其中：非基本來壓時，煤壁片幫主要集中在中部，長度2～3 m，深度100～250 mm；基本頂來壓時，煤壁片幫也主要集中在中部，長度3～10 m，深度200～600 mm。

由上面數據來看，四柱支撐掩護式支架切頂能力不足，水平推力尚可。而兩柱掩護式支架水平推力大是其優點之一，選用兩柱掩護式支架可提高支架工作阻力（10 000 kN）來加大支架整體支撐能力及切頂能力，加之優化其四連桿機構，采用短掩護梁等措施，防止采空區垮落巖塊砸支架機尾，同樣可以克服兩柱掩護式支架切頂能力稍差的弱點，解決支架切頂能力不足的問題。

總之，對于寺河二號井15＃煤層綜采工作面以選用兩柱掩護式支架為佳。

2.2.3 支架寬度的確定

鑒于選用兩柱掩護式支架，其工作阻力達10 000 kN，支架立柱缸徑達400 mm，采用1.5 m寬支架立柱難以布置，故選用支架寬度1.75 m為宜。

2.2.4 支架操作方式選擇

鑒于15＃煤層綜采工作面要求快速推進（日進9.6 m），保證高產（4 000 t／d），故要求液壓支架快速移架。

如采用手工操作時，移架速度應為：

Vy＞Ky·V·C＝1.2×2.2×1.3＝3.4

式中：

Ky—不均衡系數，一般取1.17～1.22；

V—采煤機平均牽引速度，m／min；

C—能力富裕系數，取1.3。

N＝Vy／J＝3.4／1.75＝2.0

式中：

N—單位時間移架臺數，架／min；

J—支架中心距，m，取1.75。

如用手工移架，每30 s移1架，每班要進4個循環，即使是手工移架可以跟上采煤機割煤，但其勞動強度大。支架安裝電液控制系統保證快速推進是寺河二號井15＃煤層綜采增產高效的需要。

2.2.5 乳化液泵站選用

LRB360～400／31.5型乳化液泵站（其流量360～400 L／min，壓力31.5 MPa，功率250 kW，配套液箱容積2 000 L。

總之，為了適應晉城寺河二號井15＃煤層綜采工作面高產穩產，液壓支架工作阻力應定為10 000 kN；架型為兩柱掩護式；優化四連桿結構，采用短掩護梁結構，防止支架尾部受砸；安裝電液控制系統，并配置大流量乳化液泵站，保證工作面高產高效。

2.3 配套措施

1）15＃煤層上覆巖層屬難冒頂板，故應采用兩巷超前預裂爆破軟化頂板，為其開采創造良好條件。

2）如選用國產成套設備日進15刀，在平均采高2.6 m，工作面長度150 m，采煤機截深為0.6m，采用“四六”工作制可以實現綜采工作面日產4 000 t、年產120萬t。

3 經濟效益分析

因采煤機、刮板機與原支架配套設備基本相同，液壓支架由原四柱支撐掩護式變為兩柱掩護式后，架寬由1.5 m增加到1.75 m，支架重量由20 t／架增加到26 t／架，150 m工作面支架數量由原100架減少到86架，每套支架增加投資800萬元；同時高可靠性配套設備可以延長設備使用壽命及節省運行成本。

1）根據國內外高可靠性支架使用經驗，其壽命可比普通支架增加20%～30%。

2）高可靠性支架在全壽命期內可比普通支架至少減少1～2次大修。每次大修費用及上、下井運輸費用相當于設備原值的約30%，每減少一次大修可基本抵消初期投資增加的費用。

3）高可靠性支架可大量減少配件消耗，降低運行成本。

4 結束語

選用高可靠性配套設備需要適當增加初期投資，但可以相應延長設備的使用壽命，減少大修次數，減少配件消耗，提高設備開機率，有利于工作面高產穩產，效益顯著。

Discussion on Using High Reliability Hydraulic Support in Mining No.15 Coal Seam

Li Shu－jun，Zhao Guang－Ming

For comprehensive utilization of underground coal resources，Jincheng coal group focus on mixed mining of No.15 coal and No.3 coal，but No.15 coalmining and No.3 coal has very different，especially on the face layout and hydraulic support selection has higher demand.Through comparative analysis ofmain advantages and disadvantages of standing shield type supportand shield type hydraulic support，puts forward the design scheme of high reliability two column shield type high－end hydraulic support suitable for No.15 coal seaMmining，for the working face design and the hydraulic support selection provides a feasible technical reference，and it isworthy of popularization and application in No.15 coalmining hereafter.

15＃coal seam；Hard roof；Standing shield type support；Two column shield type high－end hydraulic support；Type selection

TD355＋.4

B

1672－0652（2013）04－0014－03

2013－01－13

李樹軍（1971—）男，山西長治人，1993年畢業于太原理工大學，工程師，主要從事礦山生產工作，（E－mail）czxxclsj＠jccoal.com