那精煤礦大采高大傾角液壓支架選型設(shè)計

李昭榮

【摘 要】針對廣西百色百礦集團有限公司都安縣那精煤礦大傾角煤層賦存情況，文章通過對大傾角煤層賦存條件的適應(yīng)性分析，對大傾角綜采工作面液壓支架的主要結(jié)構(gòu)進行選型設(shè)計，并對液壓支架的支護強度進行了理論計算，確定了支架的主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)類型，確定了大傾角液壓支架的防倒、防滑及安全防護措施，為國內(nèi)類似煤層條件下的液壓支架選型設(shè)計提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】液壓支架；選型設(shè)計；支護強度

【中圖分類號】TD823 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）09-0050-04

0 引言

隨著煤礦開采技術(shù)的發(fā)展，35°以下傾角的薄煤層及中厚煤層綜采技術(shù)已經(jīng)得到長足的發(fā)展，并不斷創(chuàng)出新的高產(chǎn)高效記錄。而對于大傾角（35°～45°）的厚煤層如何實現(xiàn)安全、高效地開采一直是困擾許多礦區(qū)發(fā)展的技術(shù)難題。

工作面支護是大傾角厚煤層綜合機械化開采的最大難題，液壓支架是實現(xiàn)大傾角厚煤層綜采的關(guān)鍵設(shè)備。其難點表現(xiàn)在以下方面：支架處于自然失穩(wěn)狀態(tài)、極易傾倒下滑、頂?shù)装咫y以控制、移架困難、支架外載復(fù)雜、工況惡劣、安全性與可靠性難以保障。因此，其可靠性和適應(yīng)性是決定綜采工作面能否實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。工作人員需要根據(jù)工作面地質(zhì)條件、礦山壓力、煤層賦存情況及通風(fēng)、安全要求，確定液壓支架的架型、支護強度、工作阻力等重要參數(shù)和防倒防滑等安全措施。

1 那精煤礦101工作面概況

都安縣那精煤礦101首采工作面位于三煤層，傾角為14°～30°，平均為24°，煤層全長約6 km，傾向斜深約1 300 m，煤層純厚度為1.40～5.10 m，平均厚為3.1 m。最大埋深為478 m。工作面頂板為灰黑色燧石灰?guī)r或炭質(zhì)灰，硬度>8。底板為白色燧石灰?guī)r，內(nèi)夾石灰?guī)r硬度>8。

三煤層呈層狀產(chǎn)出，煤層中夾矸量較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般為0～5層，局部可達8層，夾矸呈層狀，其單層厚度以0～20 cm居多；局部厚度達1 m左右，夾矸主要為炭質(zhì)頁巖，局部為薄層燧石層和炭質(zhì)灰?guī)r。目前揭露的煤層，夾矸為0～80 cm，硬度>8。

該礦井煤塵無爆炸危險性，煤炭自燃傾向性為三類：不易自燃。

2 液壓支架與煤層賦存條件適應(yīng)性分析

2.1 支架對頂板支護的適應(yīng)性

101工作面頂板為隧石灰?guī)r或石灰?guī)r，頂板巖性較好，屬中等穩(wěn)定頂板，在掘進過程中，頂板穩(wěn)定性較好，不易冒落，在回采中需要注意頂板周期來壓情況。三煤層屬于中硬煤，煤質(zhì)的硬度適中，在井下掘進過程中，有片幫現(xiàn)象存在，因此支架需要設(shè)置伸縮梁加護幫板結(jié)構(gòu)。

2.2 煤層傾角大，屬于大傾角煤層

礦井內(nèi)所有煤層均屬于大傾角煤層，綜采設(shè)備在使用中需要注意自然下滑和傾倒的現(xiàn)象，所有設(shè)備都需要設(shè)置防倒防滑裝置。對大傾角綜采工作面，支架的防倒防滑是極為重要的，將采取包括工作面基本架防倒防滑、排頭支架防倒防滑、排尾支架防倒防滑等有效措施，確保支架不倒不滑。

2.3 刮板輸送機、支架對底板的適應(yīng)性

直接底為燧石灰?guī)r，屬中硬底板，有較強的抗壓能力，預(yù)計支架使用過程中不會產(chǎn)生扎底現(xiàn)象，但支架采高較大，為加快推移速度，并避免扎底現(xiàn)象，需設(shè)置抬底機構(gòu)。但與廣西百色百礦集團有限公司各煤礦現(xiàn)有使用習(xí)慣不同，需要改變工人的操作習(xí)慣。

3 液壓支架結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計

3.1 液壓支架架型選擇

液壓支架架型的選擇直接關(guān)系綜采工作面成套設(shè)備的有效發(fā)揮和可靠性。國內(nèi)大采高液壓支架主要有2種架型：①四柱支撐掩護式支架：四柱直立支撐，支護效率高；控頂空間大，構(gòu)件較長，支架調(diào)高范圍略小，重量較重；適應(yīng)于穩(wěn)定以上頂板。②雙柱掩護式支架：兩柱斜撐，調(diào)高范圍大；支撐合力靠前，適應(yīng)穩(wěn)定以下頂板；平衡千斤頂有適應(yīng)頂板壓力變化、改變合力作用點的功能；結(jié)構(gòu)相對緊湊、簡單；重量和費用比支撐掩護支架少15%～20%。

根據(jù)那精煤礦的煤層頂板屬穩(wěn)定頂板、周期來壓較明顯的老頂條件，選擇雙柱掩護式液壓支架。

3.2 液壓支架高度確定

為適應(yīng)煤層厚度變化，保證支架發(fā)揮正常支護作用，按煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《液壓支架設(shè)計規(guī)范》（MT/T556—1996）

的規(guī)定選取支架的最大結(jié)構(gòu)高度。

選取本型液壓支架結(jié)構(gòu)高度為1.8～4.1 m，支架調(diào)高范圍較大，適應(yīng)煤層厚度的變化，以便提高煤炭的回收率，并減少割頂、底板巖石的量，減少煤炭的含矸量。

3.3 液壓支架合理工作阻力的確定

3.3.1 確定液壓支架合理支護強度的原則

（1）能夠?qū)ぷ髅鎳鷰r進行有效控制，實現(xiàn)綜采工作面的安全生產(chǎn)。

（2）在一定的時間內(nèi)，能夠維護工作面支架與圍巖關(guān)系的相對穩(wěn)定，保證綜采工作面頂板在初次來壓和周期來壓時，液壓支架立柱有一定的下縮量。

（3）能夠保證支架對頂板有一定的“初撐力”，避免煤壁不因超前壓力顯現(xiàn)出現(xiàn)片幫、冒頂?shù)默F(xiàn)象。

3.3.2 用頂板分類法確定支護強度

通過對國內(nèi)同類綜采工作面頂板資料進行分類和比較，可知三煤層直接頂屬于3類穩(wěn)定頂板，基本頂為Ⅲ級頂板，屬來壓強烈頂板，其初次來壓最大步距為63.5 m，周期來壓最大步距為26 m。

根據(jù)《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》標(biāo)準(zhǔn)中基本頂為Ⅲ級頂板，必需的支護強度按公式（1）計算。

額定支護強度下限值計算公式：

Ps=72.3hm+4.5Lp+78.9Bc-10.24N-62.1（1）

式中，Ps為額定支護強度下限，kN/m2；hm為采高，m；Lp為基本頂周期來壓步距（結(jié)合理論分析和實際觀測，取25 m），m；Bc為控頂寬度（其值為梁端距加上頂梁長度），m；N為直接頂充填系數(shù)，N=hi/hm ；hi為直接頂厚度，m。根據(jù)煤層賦存條件，將各參數(shù)代入式（1）如下：

Ps=72.3hm+4.5Lp+78.9Bc-10.24N-62.1=72.3×3.9+4.5×25+78.9×4.2-10.24（7.23/3.9）-62.1=644 kN/m2

3.3.3 支護強度的選擇與確定

根據(jù)以上分析，為保證有一定的支護強度，考慮設(shè)備適用性、可靠性、經(jīng)濟合理性等因素，綜合確定三煤層101工作面液壓支架最小支護強度為0.644 Pa。

3.3.4 液壓支架工作阻力的選擇與確定

工作面液壓支架工作阻力的確定，是液壓支架主要參數(shù)選擇重點之一，其目的是使工作面巖層控制在達到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟效果的前提下，保證支架工作的高可靠性和較高的適應(yīng)性。考慮101工作面頂板完整性較好，不易冒落，因此備用系數(shù)按最高選取。

根據(jù)式（1）確定的支護強度，工作阻力的確定如式（2）所示。

F=Ks·Ps（Sc·Bc）/η（2）

式中，F(xiàn)為液壓支架工作阻力，kN；Ks為安全系數(shù)；Ps為額定支護強度下限，kN/m2；Sc為液壓支架中心距，m；Bc為控頂寬度（其值為梁端距加上頂梁長度），m；η為液壓支架的支撐效率。

將各項參數(shù)代入式（2）如下：

F=Ks·Ps（Sc·Bc）/η=1.2×644×1.5×4.2÷0.95=5 124 kN

根據(jù)以上計算，支架的最低工作阻力為5 124 kN。考慮在1.5 m中心距條件下，需選用缸徑為280 mm的立柱，為充分發(fā)揮立柱的效能，保證液壓支架有更高的可靠性，安全閥的開啟壓力設(shè)定為42.2 MPa，即液壓支架的工作阻力確定為5 200 kN。

3.4 ZY5200/18/41型液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)以上分析，確定三煤層101工作面支架型號為ZY5200/18/41型液壓支架。該液壓支架主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要參數(shù)見表1。

3.5 支架的特點及關(guān)鍵技術(shù)措施

（1）頂梁為整體式，有如下優(yōu)點：①頂梁前端上翹，縮短了第一接頂點到煤壁的距離，有利于頂板礦壓的控制，減少片幫的發(fā)生；②結(jié)構(gòu)簡單，支架前部承載能力大，可以有效地控制頂板，減緩支架上方頂板壓力向煤壁方向轉(zhuǎn)移，從而減小片幫。

（2）液壓支架設(shè)置伸縮梁結(jié)構(gòu)，采煤機割煤后及時護住頂板，可以盡最大可能地減少偽頂?shù)拿奥淞俊?/p>

（3）通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)構(gòu)緊湊，盡量壓縮支架的縱向斷面，同時采用高強度鋼板，有效地減輕了支架重量。

（4）為防止支架運行過程中出現(xiàn)“高射炮”現(xiàn)象或出現(xiàn)“高射炮”現(xiàn)象而損壞平衡千斤頂，本設(shè)計采取了如下技術(shù)措施：①加大平衡千斤頂?shù)耐啤⒗ΓF(xiàn)選用2根Ф140/Ф85 mm千斤頂，能較好地調(diào)節(jié)頂梁受力作用點的位置，適應(yīng)性強。②頂梁與掩護梁之間設(shè)有剛性限位裝置，防止千斤頂被拉壞。

4 大傾角綜采液壓支架防倒、防滑措施

當(dāng)支架支撐在頂?shù)装逯g，支架是不存在下滑問題的。支架出現(xiàn)倒架，大多是支架上方冒空，頂板局部失去完整性，上部頂板有向下移動空間，當(dāng)頂板垮落時，這個倒向力的顯現(xiàn)使支架傾倒。

4.1 支架防倒技術(shù)研究

如果支架的重心鉛直線在支架底座內(nèi)，支架是不會傾倒的，如果鉛直線在底座外部，支架就會傾倒。根據(jù)101工作面所選液壓支架中心距及采高，支架在傾角大于20°的工作面會出現(xiàn)傾倒。支架要加防倒裝置，其主要措施如下。

（1）保證支架頂梁間沒有間隙，使它沒有傾倒的空間；支架側(cè)護板千斤頂、側(cè)推彈簧使支架頂梁相互靠緊，始終保持有足夠的扶正力，防止倒架。

（2）在鄰架頂梁間增設(shè)調(diào)架千斤頂，當(dāng)支架出現(xiàn)傾倒時，以支撐頂板的相鄰支架作支點，用千斤頂調(diào)整該支架位置（如圖2所示）。

4.2 支架防滑技術(shù)研究

支架在前移過程中是否會下滑，關(guān)鍵是支架下滑力與支架摩擦力相互作用的結(jié)果。如果下滑力大于摩擦力，則支架下滑；反之，則不下滑。減少支架下滑有如下措施。

（1）將工作面布置為偽斜，減小工作面實際傾角。

（2）防止支架下滑的另一技術(shù)措施是推移桿全程導(dǎo)向，推移桿和底座間隙控制在15～20 mm（單側(cè)）。推移桿在任意位置，推移桿和底座間間隙不變，控制運輸機下滑。

（3）影響支架下滑的另一個重要因素是刮板運輸機是否下滑，由于支架推移桿是和刮板運輸機連在一起的，因此刮板運輸機和支架連接的耳子控制支架位置。刮板運輸機下滑必然帶動支架下滑，同樣刮板運輸機上竄也帶動支架上竄。因此，在綜采工作面控制刮板運輸機的位置也基本控制了支架的位置。

（4）相鄰支架底座之間設(shè)置防滑千斤頂，以有初撐力的支架為支點，可以調(diào)整相鄰支架的位置（如圖3所示）。

（5）將刮板運輸機和支架間設(shè)置防刮板運輸機下滑裝置，每隔5架1組，推移刮板運輸機時，通過控制防滑千斤頂動作，牽動刮板運輸機上移（如圖4所示）。

5 結(jié)論

針對廣西百色百礦集團有限公司那精煤礦101工作面煤層賦存情況，本文通過對液壓支架與煤層賦存條件的適應(yīng)性分析，對大傾角綜采工作面液壓支架進行選型設(shè)計。設(shè)計的ZY5200/18/41兩柱掩護式液壓支架通過在101工作面生產(chǎn)，取得了良好的使用效果。該液壓支架具有節(jié)約成本、工藝簡單、安全高效等優(yōu)點。說明該支架方案選型101綜采工作面的地質(zhì)條件，并滿足了那精煤礦的使用要求。該架型在貴州安順市六枝特區(qū)六龍煤礦大傾角厚煤層綜采工作面中也得到較好的應(yīng)用，為國內(nèi)類似煤層條件下的液壓支架選型設(shè)計提供了依據(jù)。

參 考 文 獻

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

[2]王國法.高效綜合機械化采煤成套裝備技術(shù)[M].北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[3]李明忠.堅硬頂板條件下綜采面設(shè)備選型及液壓支架設(shè)計[J].煤礦開采，2010（4）.

[4]李明忠，李雪偉，胡萬昌.極軟厚煤層“抱采”放頂煤采煤法與液壓支架設(shè)計研究[J].煤礦開采，2013（6）.

[5]MT 554—1996，緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類[S].

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]