大采高綜采工作面液壓支架的選型研究

李志勇

（大同煤礦集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)任公司梨園河煤礦， 山西 忻州 034114）

1 工作面地質(zhì)概況

以梨園河煤礦的1341（3）工作面開采的13-1煤層為研究對象，該煤層的厚度從0.40～6.80 m不等，但煤層的平均厚度為5.00 m，其煤層為緩傾斜煤層，平均傾斜角度為12.1°。在煤層下部的局部地區(qū)存在有一層矸石，該部分的矸石大體為泥巖，其覆蓋厚度平均為0.40 m。同時在距切眼438～683 m的距離內(nèi)，由于斷層的存在，煤層受到了影響，出現(xiàn)了煤層分叉的現(xiàn)象以及煤層厚度變薄。

該煤層的頂?shù)装鍘r性穩(wěn)定，直接頂主要由砂質(zhì)泥巖組成，呈現(xiàn)深灰色，并含有大量的植化石，平均厚度為4.99 m，而局部區(qū)域為泥巖。老頂主要由中細(xì)砂巖組成，其平均厚度為7.76 m，主要呈現(xiàn)灰色、灰白色。直接底的主要組成部分為砂質(zhì)泥巖，覆蓋厚度為4.8 m，并夾雜有少量的薄層細(xì)砂巖。而老底主要由菱鐵粉砂巖組成，平均厚度為6.5 m，局部地區(qū)夾雜有細(xì)砂巖。

2 液壓支架選型原則

目前，我國所采用的液壓支架有三種形式，分別為支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式[1]。支撐式液壓支架的頂梁較掩護(hù)式液壓支架長，有較大的支撐作用力；掩護(hù)式液壓支架則有利于通風(fēng)的進(jìn)行；而支撐掩護(hù)式液壓支架則兼具這兩種液壓支架的特點(diǎn)，支護(hù)效果較好。

液壓支架的選型原則主要圍繞圍巖等級、煤層厚度、煤層傾角、底板比壓以及瓦斯含量五方面進(jìn)行。對于不同的圍巖，煤層的頂?shù)装迩闆r不同，要根據(jù)頂?shù)装宓膸r性、厚度、孔裂隙發(fā)育情況等確定圍巖的等級。當(dāng)煤層的直接頂較穩(wěn)定，而且沒有強(qiáng)烈的周期來壓時，液壓支架的形式一般選用掩護(hù)式[2]。

煤層厚度以及煤層傾角的大小對液壓支架的選型設(shè)計也有一定程度的影響，具體體現(xiàn)在液壓支架的支護(hù)高度以及穩(wěn)定性選擇上。煤層厚度的變化決定了液壓支架的支護(hù)高度的范圍，對于掩護(hù)式支架來說，它的支架變化范圍大，能較好地適應(yīng)煤層的變化情況，而對于支撐掩護(hù)式支架，它所能適應(yīng)的煤層厚度一般為1.0～4.5 m。同時液壓支架的穩(wěn)定性會隨著煤層傾角的增大而逐漸減小，所以在大采高綜采工作面中一般都會對液壓支架設(shè)置防倒、防滑裝置。

除上述影響因素以外，液壓支架的選型還與底板比壓和瓦斯含量有關(guān)。瓦斯含量越高，工作面對通風(fēng)的要求就越高，所以在選擇液壓支架時應(yīng)該優(yōu)先采用通風(fēng)斷面大的液壓支架。與此同時液壓支架對底板的壓力不允許超過底板的抗壓強(qiáng)度[3]。

在選擇液壓支架架型之前，需先對煤層的頂?shù)装迩闆r進(jìn)行分級。根據(jù)我國煤炭工業(yè)部頒發(fā)的相關(guān)法規(guī)可知，對于巖石厚度為4.99 m，且?guī)r石巖性為砂質(zhì)泥巖的直接頂來說，該類直接頂屬于2類中等穩(wěn)定頂板。對于基本頂來說，由于基本頂?shù)膸r石大部分為中細(xì)砂巖，而且周期來壓比較強(qiáng)烈，所以屬于2級基本頂。而對于直接底來說，巖石大部分為砂質(zhì)泥巖，且平均厚度為4.8 m，所以屬于4類中硬直接底。基于以上頂?shù)装宸旨壡闆r以及該煤層厚度變化情況比較大，應(yīng)該選擇可調(diào)范圍比較高的支架。

根據(jù)煤炭工業(yè)部頒發(fā)的相關(guān)規(guī)定可知，兩柱支頂掩護(hù)式液壓支架適用于 1、2、3 類直接頂，1、2、3級基本頂以及2類以上的底板的巖層組合，所以該工作面選擇兩柱支頂掩護(hù)式液壓支架。雖然該種液壓支架上的底板比壓比較大，但是它的受力情況均勻，具有較輕的質(zhì)量，可伸縮的范圍大，并且這類液壓支架的移動速度快，可以在較短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)支架的升降過程，支護(hù)效果好。

3 液壓支架主要參數(shù)的確定

3.1 液壓支架高度的確定

液壓支架的高度由兩部分組成，分別為支架的最大高度以及最小高度，其計算方法見公式（1）（2）：

式中：Hmax為支架的最大結(jié)構(gòu)高度；Hmin為支架的最小結(jié)構(gòu)高度；S1和S2分別代表支架前柱上方以及后部上方的頂板下沉量，在這里S1和S2分別取0.1 m和0.2 m；hmax和hmin分別代表煤層的最大可采高度以及煤層的最小可采高度，在這里hmax和hmin分別取6.8 m和3 m；a表示支架向前移動時支柱的可伸縮量，在這里a≥0.05 m；c表示支架與煤層頂板之間存在的浮煤以及浮矸的厚度，在這里取0.1 m。

通過計算可得Hmax=6.7 m，Hmin=2.65 m。

所以，可以確定該兩柱支頂掩護(hù)式液壓支架的支撐范圍為2.65～6.7m。

3.2 液壓支架工作阻力的確定

在確定液壓支架的工作阻力時，可以由以下三種方法比較確定。

1）采用載荷估算法可以確定液壓支架的合理支護(hù)強(qiáng)度，其計算方法見公式（3）：

式中：K1為影響系數(shù)，在本研究中取6；hm為煤層的可采高度，取6 m；γ代表巖石的容重，為25 kN/m3。經(jīng)過計算可得p1為0.90 MPa。

2）采用老頂來壓步距法可以確定液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度，其計算方法見公式（4）：

式中：L1代表老頂初次來壓步距，取25 m，K代表動載荷系數(shù)，取2。通過計算可得p2=0.70 MPa。

3）除上述兩種方法以外，還可以采取頂板分類法來確定液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度，其計算方法見公式（5）：

式中：Lp代表老頂周期來壓步距，取15 m；Bc代表煤層的控頂高度，取5 m；N代表煤層直接頂厚度與煤層可采高度的比值，0.83。經(jīng)過計算可得p3為825.2 kN/m2=0.82 MPa。

通過上述分析，可以取這三種支護(hù)強(qiáng)度中的最大值作為該煤層液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度，即0.9 MPa。又因為該煤層的最大控頂距為5.6 m，液壓支架的寬度為1.75 m，且最大片幫的距離為1 m，所以經(jīng)過計算可得液壓支架上的可支護(hù)面積為11.55 m2。因此支架的工作阻力為10 395 kN。

3.3 液壓支架初撐力的確定

液壓支架的初撐力的大小對支架的工作狀態(tài)影響極大，如果初撐力較小，那么直接頂?shù)姆€(wěn)定性以及圍巖的平衡狀態(tài)就會發(fā)生變化，所以要確定液壓支架的初撐力。

由該煤層的地質(zhì)條件可知，初撐力為液壓支架工作阻力的80%，所以經(jīng)過計算可得支架的初撐力為8 316 kN/架。

4 液壓支架的結(jié)構(gòu)要求

對于大采高工作面來說，采煤高度較高，在這種情況下，煤壁發(fā)生片幫的情況時有發(fā)生，而且由于采煤高度的增加，局部煤層可能會發(fā)生冒頂，礦山壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈，因此為了保持液壓支架的穩(wěn)定性以及對工作面的適應(yīng)性，必須考慮液壓支架的工作結(jié)構(gòu)[4]。

在大采高綜采工作面，所采用的液壓支架必須保證支架的橫向穩(wěn)定性，并且設(shè)置防止液壓支架倒塌或者滑動的裝置，此時可以將工作面排頭的三架支架組合起來，作為保持支架橫向穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。同時該類液壓支架的頂梁必須能同時向頂梁的兩側(cè)進(jìn)行調(diào)整，提高支架頂梁的支撐力。除此之外，還應(yīng)設(shè)置底座調(diào)架結(jié)構(gòu)以及護(hù)幫板，合理設(shè)置支架的尺寸，保證井下運(yùn)輸?shù)恼＿M(jìn)行。

5 液壓支架型號的確定

通過以上的分析和計算，可以得出梨園河煤礦1341（3）工作面的液壓支架的工作參數(shù)，其支撐高度為2.65～6.7 m，工作阻力為10395kN，再結(jié)合淮南礦區(qū)總體的液壓支架使用情況，選擇ZY10800/30/65D型兩柱支頂掩護(hù)式液壓支架，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 液壓支架的主要技術(shù)參數(shù)

6 結(jié)論

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于梨園河煤礦1341（3）工作面的煤層傾角平均為12.1°，而且煤層的頂?shù)装迩闆r良好，再加上此類型的液壓支架底座較大，設(shè)有防倒防滑裝置，所以支架在工作面的穩(wěn)定性較好。同時該支架可調(diào)整的高度范圍為3.0～6.5 m，可以很好的適應(yīng)煤層厚度的變化[5]。當(dāng)頂板上覆巖層在礦山壓力的作用下出現(xiàn)運(yùn)動時，該支架的工作阻力也可以很好地阻止這種情況的發(fā)生。除此之外，在頂板初次來壓的過程中，支架的安全閥基本上處于關(guān)閉狀態(tài)，而支架的工作情況還十分良好，可以滿足煤礦生產(chǎn)的需要。因此，ZY10800/30/65D型支架選型合理。