準格爾煤田特厚煤層放頂煤支架適應性分析及展望

任國軍，張廣寧，胡寶敏

（1.鄂爾多斯市國源礦業開發有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300；2.中國大唐集團煤業有限責任公司，北京 100053）

0 引言

20世紀70年代末期，我國開始采用大采高開采技術。20世紀90年代初期，先后在開灤、西山、銅川等礦區采用大采高開采方法［1-2］，但采高未超過5m。隨著礦井高產高效技術研究的深入，底層采高從4m提高到5.1m得到了實驗性突破。2018年6月份大唐國源煤礦設計采用5.1m大采高綜放工作面進入工業性實驗階段，取得成功，標志著我國放頂煤開采技術的新突破。

放頂煤液壓支架是綜放工作面的主要設備之一，主要作用是支護采場頂板，保證作業人員安全。目前準格爾煤田綜放工作面液壓支架最大工作阻力21000kN,最小的工作阻力12000kN，個別綜放工作面采用兩柱式放頂煤液壓支架，多數采用四柱式放頂煤液壓支架。目前準格爾煤田特厚煤層綜放工作面兩柱式放頂煤液壓支架來壓期間出現平衡油缸抽芯、"高射炮"等現象，四柱式放煤液壓支架來壓期間出現后柱工作阻力為零、拔后柱等現象，總體上存在對準格爾煤田特厚煤層綜放工作面支架選型存在認識不全面的問題，本文以準格爾煤田特厚煤層綜采工作面實踐生產為研究對象，進一步分析生產中兩柱和四柱式液壓支架的適應性，進而確定準格爾煤田特厚煤層放頂煤液壓支架的選型。

1 液壓支架工作阻力確定

目前，工作面支架工作阻力確定主要有巖層結構法、數值模擬法、工程類比法、采高倍重系數法、實測估算法等［3-6］。各種計算方法計算結果具有不唯一性，有的方法計算結果與現場差異性較大。

1.1 巖層結構法

工作面支架的載荷由兩部分組成：一是直接頂的載荷，二是基本頂通過直接頂作用于支架的載荷，一般以直接頂載荷的倍數來估算基本頂的載荷。強度計算公式為：

式中：q為工作面支架所需支護強度，kN/m2；Kd為基本頂失穩時的動載系數，根據鄰近綜放工作面礦壓觀測結果，取1.5；qm為冒落帶巖層自重應力，kN/m2；qd為支架上方頂煤自重應力，kN/m2；

其中：qm＝γ 巖×h＝24×56=1344kN/m2；

式中：γ巖為頂板巖石容重，取24kN/m3；h為冒落帶巖石厚度，取最大垮落高度56m；

6號煤層頂板粗砂巖抗壓強度平均值22.8MPa，屬中等較穩定巖層。采空區冒落帶高度計算按公式：

式中：M為煤厚，取最大厚度28m；Md為頂煤厚度，采厚最大28m,機采5.1m,頂煤最大厚度22.9m；K為垮落碎脹系數，取1.5。

則：q＝1.5×（1344＋325.18）=2503.8kN/m2

所需支架工作阻力

式中：P為支架工作阻力（kN）；Q為工作面支架所需支護強度，kN/m2；Lk 為梁端距，0.619m；Ld為頂梁長度，5.14m（由選用的配套支架參數確定）；B為支架支護寬度，2.05m。

則：P＝2503.8×（0.619+5.14）×2.05=29559.7kN。

1.2 按實測工作面來壓期間最大壓強，估算支架工作阻力

根據現場壓力統計，其最大值為49.5 MPa，其工作阻力F理論值為：

式中：2為立柱數量;P為支架工作阻力，取49.5 MPa;S為立柱受力面積，立柱缸徑為500mm。ZFY18000/28/53D綜放支架的額定工作阻力為18000kN，從安全的角度出發，工作面支架的工作阻力應該有15%～20%的富裕，即支架阻力應為22343kN～23315kN，但支架實際額定工作阻力偏低，不能滿足生產現場基本頂來壓的不均衡性，直接影響到支架對頂煤及上覆巖層的控制效果。

1.3 工程類比法

鄰近的黃玉川煤礦采用放頂煤開采6煤，目前采用ZF21000/25/45D四柱支撐掩護式低位放頂煤支架，工作阻力為21000 kN，日最大工作阻力數據見表 1。

表1 黃玉川6煤綜放工作面日最大工作阻力統計表

從表中看出，工作面有75%的支架日最大工作阻力沒有超出21000kN，工作面阻力超出21000kN的平均比例僅8.3%，符合正態分布，考慮到低阻力區比例較大、前后柱受力不均、支架接頂效果差等因素，從安全的角度出發，工作面支架的工作阻力應該有15%～20%的富裕，即支架阻力應為24150kN～25200kN，但支架實際額定工作阻力偏低，不能滿足生產現場基本頂來壓的不均衡性，直接影響到支架對頂煤及上覆巖層的控制效果［7-8］。

2 支架選型

2.1 準格爾煤田兩柱、四柱放頂煤液壓支架應用現狀

經過對準格爾煤田實地調研，準格爾煤田放頂煤液壓支架目前使用情況見表2：

表2 準格爾煤田兩柱、四柱放頂煤液壓支架應用現狀表

通過表2分析可知：目前準格爾煤田多采用四柱支撐掩護式放頂煤液壓支架，支架工作阻力最大21000kN，但多數工作面仍然存在支架工作阻力不足的現象；四柱支撐掩護支架承載能力較強，但存在后柱壓力低于前柱壓力，出現"拔后柱"現象；兩柱式掩護支架承載能力差，出現"高射炮"、平衡油缸抽芯現象。

2.2 兩柱、四柱放頂煤液壓支架實際受力分析

分析支架立柱在實際生產過程中的受力可以很好的對支架適應性進行評價，綜放工作面在放煤過程中，支架所受作用力隨著頂煤的垮落放出發生變化，支架受力不均勻，容易造成結構件變形，分析支架受力是非常有必要的。

表3 兩柱放頂煤液壓支架左、右立柱平均循環末阻力統計表

表4 四柱放頂煤液壓支架左、右立柱平均循環末阻力統計表

通過表3、表4分析可知，兩柱式放頂煤液壓支架立柱受力均衡，左右立柱受力相差最小3%，最大17%，平均3.4%；四柱式放頂煤液壓支架前后立柱相差最小5%，最大113%，平均46%，總體前柱受力大于后柱受力。

2.3 放頂煤液壓支架發展趨勢

放頂煤液壓支架是目前綜放工作面的的主要設備之一，隨著智慧化礦山建設［9-10］和放頂煤開采煤厚的提高，進一步研究放頂煤液壓支架的適應性是非常有必要的。

1）自動化方面。 隨著國內智慧化礦山的不斷推進，井下自動化程度不斷提高，工作面逐步向有人值守，無人作業方向發展，兩柱式放頂煤液壓支架是目前唯一可實現自動化的支架，而四柱式放頂煤液壓支架很難實現自動化，因此兩柱式放頂煤液壓支架是目前主要的發展方向。

2）大采高放頂煤液壓支架。將大采高綜采工藝優點與放頂煤工藝的優點相結合形成大采高綜放工藝，使得綜放工作面采高由目前的4m提高至7m，可以一次開采28m厚的煤層，解決《煤礦安全規程》關于采放比1：3的要求。同是可提高目前綜放工作面頂煤回收率低的問題。

因此，大采高放頂煤液壓支架的研究是今后放頂煤液壓支架的主要研究方向。

3 結 論

1）準格爾煤田特厚煤層綜放工作面來壓強烈，易采用承載范圍較大的四柱式支撐掩護式放頂煤液壓支架。

2）目前準格爾煤田特厚煤層綜放工作面液來壓期間礦壓顯現明顯，通過多種方法對準格爾煤田特厚煤層綜放工作面支架工作阻力進行核算，發現現有支架工作阻力不足，應重新核算，提高支護強度。

3）四柱式放頂煤液壓支架通過優化前后立柱工作阻力，按相應比例提高前后柱工作阻力，提高支架支護強度。

4）兩柱式放頂煤液壓支架平衡油缸調節能力有限，來壓期間承載能力差，通過增大立柱和平衡油缸工作阻力，提高支架承載能力。

5）兩柱式放頂煤液壓支架，工作面來壓期間，應保證采放平行作業的同是加快推進度，及時將壓力甩入采空區。

6）兩柱式放頂煤液壓支架是目前唯一可實現自動化的支架，在保證工作面來壓期間快速推采、采放平行作業情況下，兩柱式放頂煤液壓支架在自動化方向更具有優勢。

7）大采高放頂煤液壓支架可提高目前準格爾煤田特厚煤層綜放工作面頂煤回收率，今后應重點加大對大采高放頂煤液壓支架的研究及使用。