四柱放頂煤液壓支架支護(hù)能力技術(shù)研究

王彪謀，高素英，杜忠孝

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013; 2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京100013; 3.北京中煤礦山工程有限公司，北京，100013)

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四柱放頂煤液壓支架支護(hù)能力技術(shù)研究

王彪謀1，2，高素英3，杜忠孝1，2

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013; 2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京100013; 3.北京中煤礦山工程有限公司，北京，100013)

［摘要］煤礦廣泛采用鉸接頂梁結(jié)構(gòu)的四柱放頂煤液壓支架，存在的問題是前梁端部支撐能力小，頂梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，封閉性差，支架前部容易出現(xiàn)片幫、冒頂。采用整體頂梁結(jié)構(gòu)的四柱放頂煤液壓支架，頂梁前端的支撐力大，可有效防止煤壁片幫、冒頂，但該架型支架前、后柱受力不均帶來的問題比較突出，嚴(yán)重時(shí)造成工作面支架壓死。理論研究和實(shí)際應(yīng)用表明，要針對(duì)煤層開采條件進(jìn)行個(gè)性化設(shè)備選型和液壓支架優(yōu)化設(shè)計(jì)，選用整體頂梁結(jié)構(gòu)的四柱放頂煤液壓支架，建議其額定工作阻力估算值應(yīng)比普通鉸接頂梁放頂煤支架提高約1.4～1.6倍。

［關(guān)鍵詞］四柱放頂煤液壓支架;鉸接頂梁;整體頂梁;工作阻力

究工作。

［引用格式］王彪謀，高素英，杜忠孝.四柱放頂煤液壓支架支護(hù)能力技術(shù)研究［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 27－29，55.

煤礦廣泛采用鉸接頂梁結(jié)構(gòu)的四柱放頂煤液壓支架，存在的問題是前梁端支撐能力小，頂梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，封閉性差，支架前部容易出現(xiàn)片幫、冒頂。采用整體頂梁結(jié)構(gòu)的四柱放頂煤液壓支架，頂梁前端的支撐力大，可有效防止煤壁片幫、冒頂，但該架型的主要問題是支架前、后柱受力不均，經(jīng)常出現(xiàn)支架頂梁低頭、前立柱漲缸、后立柱拉壞等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)造成工作面支架壓死。因此，研究不同結(jié)構(gòu)四柱放頂煤支架的實(shí)際支撐能力，合理確定支架額定工作阻力是非常必要的。

1　支架現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

內(nèi)蒙古薛家灣礦區(qū)放頂煤工作面四柱支架選用情況如表1所示。

表1　薛家灣礦區(qū)四柱放頂煤液壓支架選用情況統(tǒng)計(jì)

內(nèi)蒙古薛家灣地區(qū)主采6號(hào)煤層，直接頂為砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖，平均厚度7.49m，基本頂為細(xì)粒砂巖，粗粒砂巖、中粒砂巖、含礫粗砂巖;底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粗砂巖。唐公塔煤礦、補(bǔ)連溝煤礦、孫家豪煤礦等均選用工作阻力為13000～15000kN四柱放頂煤支架，采用鉸接頂梁結(jié)構(gòu)，可滿足使用需求。黃玉川煤礦選用了工作阻力為21000kN的四柱整體頂梁放頂煤電液支架，可滿足生產(chǎn)需要。

薛家灣地區(qū)酸刺溝煤礦開采6上煤層，直接頂為中粒砂巖、泥巖，平均厚度9.61m，基本頂為粗粒砂巖，平均厚度26.35m，底板為灰色泥巖。配備工作阻力為15000kN四柱放頂煤液壓支架，采用整體頂梁結(jié)構(gòu)，開采時(shí)出現(xiàn)了支架大面積壓死事故，支架損壞嚴(yán)重，影響了工作面正常生產(chǎn)。后續(xù)工作面選用了工作阻力為21000kN的四柱整體頂梁放頂煤電液支架，基本滿足了生產(chǎn)需要。

從以上實(shí)例可以看出，雖然酸刺溝礦開采條件有特殊之處，但其他礦條件相似，選用整體頂梁四柱放頂煤支架的額定工作阻力比鉸接頂梁結(jié)構(gòu)支架的額定工作阻力提高近1.4～1.6倍。

2　兩種支架額定工作阻力下力學(xué)參數(shù)對(duì)比分析

根據(jù)天地科技開采設(shè)計(jì)事業(yè)部的通用計(jì)算方法，在配套設(shè)備相同，支架前、后立柱均達(dá)到額定工作阻力的條件下，分別對(duì)鉸接頂梁和整體頂梁兩種結(jié)構(gòu)的ZF15000/26/40型四柱放頂煤液壓支架的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。

2.1參數(shù)計(jì)算

(1)鉸接頂梁支架主要節(jié)點(diǎn)處集中力計(jì)算值為:前梁前端集中力Q11=394.3kN;頂梁前端集中力Q12= 6563.5kN;頂梁后端集中力Q13= 8091.4kN。前立柱至前梁前端無立柱區(qū)支撐力為Q14=5367.3kN。

(2)整體頂梁支架主要節(jié)點(diǎn)處集中力計(jì)算值為:頂梁前端集中力Q21= 4917kN;頂梁后端集中力Q22=10132.2kN;前立柱至頂梁前端無立柱區(qū)支撐力為Q23=6885.47kN。

2.2參數(shù)對(duì)比分析

兩種四柱放頂煤支架額定工作阻力下參數(shù)對(duì)比見表2。

表2　兩種四柱放頂煤支架額定工作阻力下參數(shù)對(duì)比

分析表2所示數(shù)據(jù)，可以得出如下結(jié)論:

(1)鉸接頂梁支架前梁前端集中支撐載荷394.30kN，頂梁前部無立柱區(qū)支撐載荷5367.30kN，均相對(duì)較小，對(duì)于松軟煤層和破碎易冒頂板容易出現(xiàn)片幫、冒頂現(xiàn)象;頂梁后端集中支撐載荷8091.40kN相對(duì)較小，切頂力小，不利于頂煤冒落。

(2)整體頂梁支架前端支撐載荷4917.00kN，頂梁前部無立柱區(qū)支撐載荷6885.47kN，相對(duì)較大，對(duì)于松軟煤層和破碎易冒頂板支護(hù)效果好，可有效防止片幫冒頂現(xiàn)象;頂梁后端支撐載荷10132.20kN，相對(duì)較大，后端切頂力大，有利于對(duì)頂煤破碎冒落。

(3)鉸接頂梁支架頂梁前、后端集中載荷之比為0.81，說明頂梁對(duì)頂板承載分布比較均勻;整體頂梁支架頂梁前、后端集中載荷之比為0.49，說明頂梁對(duì)頂板承載特性變化大，當(dāng)頂板給支架施加均布載荷時(shí)，支架后立柱的支撐力不能有效發(fā)揮。

(4)鉸接前梁長度為1600mm，鉸接頂梁相對(duì)整體頂梁幾何尺寸短約1600mm，鉸接頂梁支架整體運(yùn)輸尺寸短，方便運(yùn)輸。

3　頂板載荷對(duì)兩種支架支撐能力影響

放頂煤工作面頂煤冒放前、后頂板外載荷對(duì)支架頂梁的作用力及作用位置均會(huì)有較大變化，因煤層賦存條件不同，載荷變化情況也是非常復(fù)雜的，很難有量化的結(jié)論。在頂煤冒放前，頂板載荷有利于四柱放頂煤支架前、后柱受力均勻，頂煤冒放后一般前柱受力加大，后柱受力減小，前、后柱受力不均帶來的問題比較明顯。放頂煤支架頂梁在井下所受均布載荷是一種基本工況，應(yīng)用實(shí)例證明，支架支撐能力滿足該工況的要求，就可基本滿足正常安全生產(chǎn)的需要。頂板對(duì)液壓支架頂梁施加均勻分布載荷時(shí)，由于液壓支架頂梁前部無立柱支撐區(qū)域大，當(dāng)前立柱達(dá)到額定工作壓力時(shí)，后立柱通常達(dá)不到額定工作壓力，此時(shí)支架承受的外部載荷即為支架實(shí)際支撐力，通常該力小于支架額定工作阻力。因此，研究確定支架工作阻力時(shí)需要在此工況下對(duì)支架進(jìn)行計(jì)算校核，使支架的實(shí)際支撐能力滿足正常生產(chǎn)的需要。

根據(jù)天地科技開采設(shè)計(jì)事業(yè)部的通用計(jì)算方法，分別對(duì)鉸接頂梁和整體頂梁兩種結(jié)構(gòu)的ZF15000/26/40型四柱放頂煤液壓支架，在配套設(shè)備相同、頂板載荷為均勻分布的工況條件下，計(jì)算分析了支架實(shí)際支撐能力。

3.1鉸接頂梁支架

在頂板載荷為均勻分布外加載的工況條件下，當(dāng)鉸接頂梁放頂煤支架前立柱達(dá)到額定工作壓力時(shí)，后立柱會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生一定的壓力，由此計(jì)算出支架實(shí)際支撐能力數(shù)值，如圖1所示。

(1)主要節(jié)點(diǎn)處集中力計(jì)算值為:前梁前端集中力Q11= 394.3kN;頂梁前端集中力Q12= 5786.6kN;頂梁后端集中力Q13=5821.6kN。

(2)當(dāng)前立柱達(dá)到額定工作阻力7500kN時(shí)，后立柱受載4500kN，支架實(shí)際有效支撐力為12000kN，約為額定工作阻力值的80%。

3.2整體頂梁支架

在頂板載荷為均勻分布外加載的工況條件下，當(dāng)整體頂梁放頂煤支架前立柱達(dá)到額定工作壓力時(shí)，后立柱會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生一定的壓力，由此計(jì)算出支架實(shí)際支撐能力數(shù)值，如圖2所示。

圖2　整體頂梁結(jié)構(gòu)放頂煤支架受頂板均布載荷時(shí)受力分析

(1)主要節(jié)點(diǎn)處集中力計(jì)算值為:頂梁前端集中力Q21= 3544.4kN;頂梁后端集中力Q22= 3888.1kN。

(2)當(dāng)前立柱達(dá)到額定工作阻力7500kN時(shí)，后立柱受載為0，支架實(shí)際有效支撐力為7432.5kN，約為額定工作阻力值的50%。

3.3兩種支架承載能力對(duì)比分析

上述計(jì)算結(jié)果說明:當(dāng)頂梁上方施加均勻分布加載時(shí)，鉸接頂梁支架實(shí)際有效支撐能力可達(dá)到12002.5kN，是支架額定工作阻力的80%;整體頂梁支架實(shí)際有效支撐能力可達(dá)到7432.5kN，是支架額定工作阻力的50%;可以看出鉸接頂梁支架實(shí)際有效支撐能力是整體頂梁支架的1.6倍。因此，同等條件下支架選型時(shí)整體頂梁支架工作阻力應(yīng)比鉸接頂梁支架提高約1.6倍。

4　改變前、后立柱缸徑對(duì)提高支架支撐能力影響

為了解決四柱放頂煤液壓支架普遍存在前、后柱受力不均問題，個(gè)別煤礦在支架設(shè)計(jì)時(shí)要求采取加大前柱缸徑，減小后柱缸徑。以ZF15000/26/40型四柱放頂煤液壓支架為例，前、后立柱缸徑均采用360mm的支架前方無立柱區(qū)支撐力為6886kN;前柱缸徑采用380mm，后柱缸徑采用340mm，支架前方無立柱區(qū)支撐力為6997kN，支撐力相對(duì)提高1.016倍。數(shù)據(jù)表明，采取加大前柱缸徑減小后柱缸徑，改善支架承載能力效果不明顯。前、后立柱缸徑不同，帶來的問題是不能互換，現(xiàn)場(chǎng)維修管理不便，增加配件庫存量。

5　結(jié)論與建議

(1)鉸接頂梁四柱放頂煤支架優(yōu)點(diǎn)是頂梁短，方便運(yùn)輸和過斷層;缺點(diǎn)是支架前梁前端承載能力小，對(duì)于松軟煤層和破碎易冒頂板容易出現(xiàn)片幫、冒頂現(xiàn)象;存在支架前、后柱受力不均現(xiàn)象，在頂梁受均布載荷時(shí)支架實(shí)際有效支撐力可達(dá)到額定工作阻力的80%。

(2)整體頂梁四柱放頂煤支架優(yōu)點(diǎn)是頂梁前端承載能力大，對(duì)于松軟煤層和破碎頂板支護(hù)效果好，可有效防止片幫冒頂現(xiàn)象;后端切頂力大，有利于破碎頂煤。在松軟煤層時(shí)，支架前、后柱受力不均問題突出，在頂梁受均布載荷時(shí)支架實(shí)際有效支撐力只能達(dá)到額定工作阻力的50%。

(3)針對(duì)煤層開采條件要進(jìn)行個(gè)性化配套選型和液壓支架優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是采用整體頂梁結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)充分考慮頂梁受均載工況情況，相同條件下建議其工作阻力比四柱鉸接頂梁支架提高1.4～1.6倍，防止壓死支架等重大事故發(fā)生。

(4)加大前柱缸徑，減小后柱缸徑，改善支架支撐能力效果不明顯。帶來的問題是前、后立柱互換性差，維修管理不便，配件庫存量增加。

(5)理論研究和大量實(shí)踐證明采用整體頂梁結(jié)構(gòu)的兩柱放頂煤液壓支架支護(hù)性能較好，不存在前、后柱受力不均問題，電液控制易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，建議優(yōu)先選用。

［參考文獻(xiàn)］

［1］王國法，等.液壓支架技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1999.

［2］閆少宏，富強(qiáng).綜放開采頂煤頂板活動(dòng)規(guī)律的研究與應(yīng)用［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2003.

［3］何風(fēng)強(qiáng)，李宏，王東攀，四柱放頂煤液壓支架立柱受力不均衡規(guī)律及機(jī)理研究［J］.煤礦開采，2012，17(6) : 35－37.

［4］馬端志.四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架支護(hù)性能分析［J］.煤礦開采，2010，15(5) : 66－68.

［責(zé)任編輯:徐亞軍］

Supporting Ability of 4-prop Powered Support for Top-coal Caving

WANG Biao-mou1，2，GAO Su-ying3，DU Zhong-xiao1，2

(1.Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;
2.Coal Mining＆Designing Research Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China;
3.Beijing Zhongmei Mine Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract:4-prop powered support with hinged top-beam for top-coal caving was widely used in coal mines，but its small supporting force of top-beam end，complex top-beam structure and bad closure usually resulted into coal-wall slide and roof fall.Applying whole top-beam technology to improving supporting force of top-beam could effectively prevent coal-wall slide and roof fall，but this would form unbalanced force between front prop and rear prop and even result into support crushing.Theoretical analysis and practice showed that special equipment lectotype and optimized powered support design for coal-seam condition was necessary.When selecting 4-prop powered support with whole top-beam for top-coal caving，it was suggested that its rated working resistance should be 1.4～1.6 time larger than that of common powered support with hinged top-beam.

Keywords:4-prop powered support for top-coal caving; hinged top-beam; whole top beam; working resistance

［作者簡介］王彪謀(1963－)，男，甘肅民勤人，研究員，現(xiàn)任開采裝備技術(shù)研究所副所長，從事綜采工作面總體配套和液壓支架設(shè)計(jì)研

［基金項(xiàng)目］2013國有資本金項(xiàng)目:大型煤礦綜放開采支架研究(ZDJS－2010KCSJ－1－2－2)

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.008

［收稿日期］2014－06－11

［中圖分類號(hào)］TD355.41

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

［文章編號(hào)］1006-6225 (2015) 02-0027-03