大采高液壓支架選型研究

王雷鳴

（陽煤集團開元礦業有限責任公司， 山西 晉中 045405）

1 工作面情況介紹

本文選擇某礦9712工作面為研究對象。該工作面西部為礦井邊界，東面為已挖掘盤區運輸巷道，南北分別連接9711工作面以及9713工作面。其中9711工作面已經開采，9713則屬于正掘待采工作面。本工作面的走向長度為1 500 m傾斜長220 m；井下標高為558～623m，地面標高則為880～1103m不等；煤層厚度大，平均厚度為6.3 m；傾角小，均值為4°；容重1.45 t/m3；根據普氏硬度標準基本硬度為2～3，屬于中硬度煤層。根據頂板的巖性特征、跨落難易度對該工作面的頂板進行分類，發現其包含全部三種頂板類型。其中直接頂的巖性條件為砂質泥巖，均厚為2.43 m，層理發育；老頂又稱基本頂，其巖性條件為中粒砂巖，均厚為7.1 m；而偽頂的巖性條件為炭質泥巖，較薄，均厚僅為0.2 m。相對應的直接底的厚度為2.7 m，同直接頂巖性條件相一致為砂質泥巖老底為均厚6.52 m的泥巖結構[1]。

2 大采高液壓支架選型的依據

根據該工作面條件，其屬于大采高工作面。對于該類工作面進行液壓支架選型主要是根據以下六個基本條件，分別是：

1）直接頂的穩定條件，是否屬于破碎易跨落情況；

2）老頂的級別以及初次來壓步距、周期來壓步距、來壓荷載、直接頂厚度等礦壓顯性參數；

3）底板的類型以及底板的各項參數條件，包括抗壓縮剛度、容許荷載強度等；

4）工作面的采高大小，煤層的堅硬程度、層理分布、厚度變化等基本條件；

5）工作面的掘進方向以及煤層的傾角大小影響支架的類型；

6）工作面煤層瓦斯含量以及為保證掘進開采安全的通風斷面的確定情況。

根據上述六個基本條件來看，結合液壓支架的主要作用對象，頂板的條件是核心要素，其中包括頂板的巖性、類別、級別等。但是頂板在進行級別劃分時，根據固有評級方法具有模糊性，因此要選擇支護保護性高的支架[2]。

3 大采高液壓支架的架型選擇及主要參數的確定

3.1 大采高液壓支架的架型選擇

國內在進行大采高綜采作業時，主要選擇自移式支架，包括支撐式支架、掩護式支架、支撐掩護式支架等。根據上文指出的選型依據，其以頂板的分類為核心參考條件進行選型。根據我國的頂板分類方案規定，該類緩傾斜煤層的工作面直接頂的巖性條件為砂質泥巖，初次跨落步距27.4 m，應確定為2類中等穩定頂板類型。同時根據老頂的初次來壓當量的計算公式：P=241.3ln（L0）-1505N+52.6h 其中 N 是直接頂厚度與煤層采高的比值，h代表煤層采高，L0代表老頂初壓步距。根據公式可以計算初次來壓當量。根據老頂的來壓等級分類方式，該工作面的老頂屬于不明顯來壓老頂，故分類等級為Ⅰ。根據直接頂、老頂的支架選型情況，如表1所示，本工作面宜選取兩柱支撐掩護式支架。

3.2 大采高液壓支架的主要參數確定方法

表1 液壓支架架型選擇（按頂板等級條件）

大采高液壓支架選型的主要參數為工作阻力、初撐力以及支護高度的。通過科學的測算有利于支架穩定程度的提升。

3.2.1 支架工作阻力的確定方法

支架的工作阻力與支架強度直接相關。因此需要首先通過計算公式獲得本工作面的支架支護強度，進而結合公式計算出支架的工作阻力。一般來講進行支護強度的確定方法有三種，分別是經驗估算法、頂板分類法以及實測統計法。以下只簡紹經驗估算法和頂板分類法。

1）經驗估算法一般包括三種方法，分別是采高倍數容重法、威爾遜估算法，以及經驗公式法。本文選取的是采高倍數容重法，其依據采高數倍的控頂去單位面積內的頂板容重來進行強度確定，計算公式為P=K×H×γ×10-2。其中：K代表作用于支架頂板的巖石厚度倍數，H代表工作面采高，γ代表巖石容重。

2）頂板分類法，根據老頂的級別按照綜采工作面的強度規律，獲得計算公式：P=72.3h+4.5L+78.9B-10.24N-62.1。其中h為采高，L為老頂周期來壓步距，B為控頂高度，N為直接頂厚度與采高比。此時工作阻力的計算公式為Q=PBS/k，其中，k為支撐效率，根據選型支撐式掩護支架取值0.9進行計算，S為液壓支架中心距離。根據上述計算方式獲得工作阻力理論計算，根據安全生產條件，要求合理工作阻力要超過理論計算阻力的15%～20%之間，因此確定合理工作阻力的范圍應后可以按照最穩定工況取工作阻力值。

3.2.2 支架初撐力、支護高度的確定方法

初撐力影響直接頂板支護的穩定性，能夠保持圍巖穩態，防止支架工作狀態遭到破壞。除了根據理論計算外，支架的初撐力還會受到防沖擊性性、工作面供液效率、液壓控制元件的穩定運行條件等情況的影響，所以初撐力的實際取值要大于理論計算值，確定初撐力后，根據工作面采高，確定支架的支撐高度。

4 大采高支架適應性分析

根據上述理論計算方式獲得了大采高工況下液壓支架的合理選型，為了驗證理論選型與實際使用的匹配程度，故對該支架選型的適應性進行分析，該分析主要通過初撐力、循環末阻力以及支架增阻特性來進行。現階段的初撐力屬于低初撐力，這不利于直接頂向老頂傳遞支撐力，造成端冒、冒空頂梁等風險，因此必須提升初撐力值；根據本文工作面的循環末阻力平均分布條件，稍大于兩端支架壓力，因此可以看出循環末阻力較小，工作阻力富余量滿足循環末阻力條件；本工作面中處于一次、二次增阻類型達72%，根據頂板周期來壓條件，需要進行多次急增阻，因此必須對初撐力進行加強，以減少增阻和急增阻的次數，提升支架的穩定性。

5 結語

大采高工況條件下，液壓支架的選型受頂板類、級的影響。根據該工作面頂板條件，確定選擇兩柱支撐掩護式支架，并根據理論計算公式和安全工作條件，確定支架的主要參數工作阻力、初撐力、支護高度等。同時，根據實際應用來看，需要增加初撐力管理，以防止支架出現不穩定工況。