虎龍溝煤礦放頂煤液壓支架穩定性研究

楊 磊

（山西同煤集團虎龍溝煤業有限公司， 山西 朔州 036010）

引言

隨著我國煤炭開采技術的發展，放頂煤綜采技術已經成為我國特厚煤層開采的發展方向之一，并普遍應用于大型的現代化礦井。目前，高效高產已成為現代煤礦生產所追求的目標，

而其目標的關鍵因素之一就是放頂煤液壓支架的可靠性。對于國內某些重點礦區的特厚煤層而言，該煤層具有煤炭硬度大、整體性強、頂煤不易冒落等特點[1]。受地質條件的影響，許多工作面礦壓顯現異常激烈，放煤和頂板垮落時對液壓支架的沖擊大，導致支架出現不同程度的壓死、結構件開裂等問題，嚴重影響了煤礦企業的安全生產[2]。因此，本文以虎龍溝煤礦ZF13000/25/38D 型低位放頂煤液壓支架為研究對象，通過對支架結構進行合理的優化改進，從而提高了支架的穩定性，為特厚煤層放頂煤液壓支架的設計提供了技術支持。

1 工程背景

虎龍溝煤礦81505 位于馬口峪河地帶，工作面東部為實煤區，南部與盤區東軌道大巷相接，西部鄰近81503 工作面采空區，北部鄰近塔山煤礦二盤區。該工作面走向長2 423 m，傾向長180 m，煤層厚度11.99～14.36 m，平均厚度12.73 m，層內含夾矸9-12層（累計厚為3.38～3.81 m）。煤層結構復雜，侵入的火成巖厚度分布沒有規律，工作面具體的頂底板情況如表1 所示。

由表1 可以看出，該工作面直接頂為高嶺質泥巖，厚度為1.5～2.27 m；老頂為粗砂巖，平均厚度為18 m，局部有火成巖侵入；直接底為砂質泥巖，平均厚度2.0 m，泥質膠結，致密塊狀夾薄煤。受褶曲和斷層等構造影響，液壓支架出現不穩定的現象。基于此，本文通過分析影響放頂煤液壓支架的因素，對液壓支架進行合理的改進，從而提高支架的穩定性。

表1 工作面頂底板地質情況分布表

2 影響支架穩定性的因素

放頂煤支架作為現代煤礦安全生產最重要的設備之一，在綜采過程中發揮著支護頂板和推移其他工作設備的作用，然而85105 工作面地質條件復雜，受多重因素影響，造成ZF13000/25/38D 型低位液壓支架出現立柱爆缸、支架壓死等不穩定的現象。對于影響支架不穩定的因素分述如下：

1）煤層厚度。地質資料顯示該煤層平均煤層12.73 m 且層內含有夾矸，局部煤層受擠壓變得非常疏松，在放煤前導致支架前柱工作阻力增加，放煤后工作阻力減小，對支架的承載產生影響。

2）煤炭硬度。由于該煤層煤炭硬度大，整體性強且頂煤不易冒落，放煤過程中工作面礦壓顯現劇烈，支架前柱受煤巖體的壓力、后柱受垮落巖體的沖擊，使得支架前后柱的受力不均，對支架的沖擊影響較大。

3）支撐高度。支架各部件用銷軸連接，當支架支撐高度較大且承受縱向的水平力時，合力作用點的位置會發生變化，導致支架出現歪斜、扭轉等不穩定的現象。

4）支架結構強度。受技術限制，部分支架的結構強度較低，在放煤過程中受到較大煤塊的沖擊，支架不能瞬時卸載，造成支架結構出現開裂的現象。

3 液壓支架結構優化

通過分析以上影響支架穩定性的因素，為了使支架更好地適應該特殊的地質條件，對ZF13000/25/38D 型低位液壓支架的頂梁柱窩、立柱布置和四連桿等結構進行優化改進，從而提高支架的穩定性，實現對圍巖的有效控制[3-4]。

3.1 頂梁柱窩焊接結構

放煤過程中由于煤炭硬度大，頂板的周期來壓表現劇烈，對支架有很強的沖擊作用，支架頂梁柱窩周圍應力增大，再加上立柱的反復升降，從而增加了柱窩結構損壞的可能性。為了使支架緩沖煤塊的沖擊，對支架頂梁柱窩采用了小柱窩坐落在馬鞍板上的新型結構，如圖1 所示。

圖1 頂梁柱窩焊接結構優化

由圖1 可以看出，改進后的柱窩結構能將頂板的沖擊力通過3 次進行分解，不僅減小了結構部件的配合間隙，增加了柱窩的抗沖擊能力，而且適應了該煤層特殊的地質環境條件，提高了支架的穩定性和抗扭能力。

3.2 立柱布置結構

為了更好地解決工作面頂板難冒落的問題，提高支架的切頂能力，實現支架對頂板的有效控制，建立了頂梁受力簡圖如圖2 所示。圖中：P1為支架的前柱工作阻力，P2為支架的后柱工作阻力，Q為前、后柱的合力，l1、l2分別為前、后柱作用點到O點的距離，L為頂梁長度，α、β 分別為前后立柱與豎直面的夾角。

圖2 頂梁受力簡圖

取頂梁為隔離體，由∑M0=0 得：

由式（1）得：

則頂梁前端的梁端力為：

由式（2）及式（3）可知，當增大前柱的工作阻力P1時，可以使支架的合力作用點前移，可以有效地平衡煤塊對支架的沖擊作用力，增強支架頂梁前端的控頂能力。

3.3 支架四連桿結構

四連桿機構作為放頂煤液壓支架的關鍵部件，起著承受頂板載荷、約束支架頂梁的運動軌跡和保持支架穩定性等方面的作用。在正常采高范圍內，支架四連桿機構受力要盡可能小，改善支架的受力情況，減少冒頂事故，提高工作面煤壁片幫的防護效果。四連桿（H、I、J、K、E構成）的運動軌跡如圖3 所示。

圖3 四連桿機構運動軌跡圖

由圖3 可知，在升降過程中，頂梁和掩護梁鉸接點E 點的運動軌跡決定了頂梁的運動軌跡，通過優化該“雙紐線”，可以使頂梁有向前運動的趨勢，此時頂梁所受的摩擦力可以抵消或減小立柱對頂梁的橫向分力，利于支架向前移動，有效地提高了支架的穩定性。

4 應用效果

按照上述優化設計，對改進后的放頂煤液壓支架進行現場應用，并測量水平移動距和梁端距隨支架高度的變化情況，記錄的數據如下頁圖4 所示。實踐表明，頂梁前部水平移動值小于90 mm，梁端距在548 mm 左右時放頂煤液壓支架的穩定性最佳。

由圖4 可以看出，在2.5～3.8 m 正常采高范圍內，優化后的液壓支架梁端距在535～561 mm 之間，水平移動距最大為87 mm，小于其標準值90 mm。這說明優化后的放頂煤液壓支架能夠適應該煤層的特殊地質條件，不僅提高了工作效率，降低了企業的生產成本，還滿足了煤礦企業高產高效工作面的產能要求，為煤礦的安全生產提供技術保障。

圖4 支架頂梁前部水平移動值及梁頂距

5 結論

1）根據虎龍溝煤礦85105 工作面的實際地質情況，分析了影響放頂煤液壓支架穩定性的主要因素如：煤層厚度、煤炭硬度、支撐高度和支架結構強度等四方面的內容，為支架的優化改進提供理論指導。

2）針對該放頂煤支架在現場應用時存在支架壓死和結構件開裂等問題，通過對ZF13000/25/38D 型低位液壓支架進行優化改進：對支架頂梁柱窩采用了小柱窩坐落在馬鞍板上的新型結構，有效分解了頂板的沖擊力，增加了柱窩的抗沖能力；通過分析頂梁簡圖，提出增加前柱工作阻力的方法來增強支架的控頂能力；通過分析四連體的運動軌跡，可以改善支架的受力情況，提高支架的穩定性。

3）通過對放頂煤液壓支架在虎龍溝煤礦的應用研究，說明液壓支架經過切合實際的優化改進，不僅能提高工作效率，減少企業的生產成本，還可以提高工人工作環境的安全系數，并為類似地質條件的礦井提供參考和借鑒價值。