輕型放頂煤液壓支架的研究

樊 華

（山西晉城煤業集團金鼎公司，山西 晉城 048006）

引言

天安圣華煤業整合批準能力為45萬t/年。該礦在2005年以前，由于生產方式簡陋，單井規模小，一直采用以掘代采的巷柱式開采法，造成3號煤層殘留煤炭資源。現井田內其3號煤層剩余的實體煤資源可采年限不足1年，延長礦井服務年限已迫在眉睫。依據《山西省生產煤礦回采率管理實施細則》中相關規定，現考慮復采，對殘留煤炭資源進行最大限度采出和利用。

本文旨在研究一種可廣泛適用于綜放工藝采煤的輕型放頂煤液壓支架，為一些中小型綜放工藝采煤的礦井機械化作業提供強力支撐。

1 研究目的及意義

根據對天安圣華煤業3號煤層測量進行計算，其可供復采的區域面積約為0.426 km2，殘煤儲量約為277.3萬t，復采工作面的回采率按照80%計算，在舊采區域內可多回收殘煤量約為144.6萬t。根據其批準能力45萬t/年計算，復采可延長礦井壽命約為4年。

根據調研，受之前落后開采方式的影響，諸多老礦存在類似現象，從礦井經濟效益和殘留資源保護角度出發，研究一種可廣泛適用于綜放工藝采煤的輕型放頂煤液壓支架意義重大[1-2]。

2 研究思路與方案

根據前期調研，圣華煤業3號煤回采工作面基本地質條件為：平均埋藏深度210m，工作面長度80m，推進長度約555 m，工作面內地質條件簡單。作為復采工作面，根據礦井實煤開采量、開采年限、成本投入以及運輸安裝等條件限制，要求新支架在滿足支護條件前提下，達到重量最輕的效果。

2.1 支架計算與選型

2.1.1 計算

依據圣華煤業3號煤層頂底板巖層物理力學性質測定指標、煤層富存條件和開采技術條件，應用采場薄板礦壓理論，工作面支架承受的最大壓力為6~8倍采高的頂板巖石的重量，采用經驗估算法對支架工作阻力進行計算，計算如下：

2.1.1.1 支護強度計算

設計取8倍采高的頂板巖石重量計算：

式中：P為支架支護強度，MPa；α為頂板巖層相當于采高的倍數，取8倍采高；γ為頂板巖石視密度，2.60 t/m3；M為工作面最大實際采高，2.1 m；η為支架的支護效率，取0.9。

將數值帶入得：P=0.476 MPa。

2.1.1.2 支架工作阻力計算

式中：F為工作阻力，kN；P為支護強度，MPa；S為支架支護的頂板面積，S=3.9 m×1.5 m=5.85 m2；

將數值帶入得：F=2 783 kN。

考慮支架支護效率及井下一些不確定因素，支架應有一定富裕系數，故工作阻力應適當提高，最終取3 800 kN。

2.1.2 選型

結合井下最低運輸高度，根據工作面實際最大和最小采高，綜合支架立柱合理伸縮比，圣華煤業3號煤回采工作面支架型號確定為ZF3800-15-23輕型放頂煤液壓支架。

2.2 支架結構與組成

經過邁實軟件校核以及三維模擬設計，該輕型支架主要由頂梁（含伸縮梁）、掩護梁、底座、前后連桿、尾梁、插板、推移桿及單側活動側護板、液壓系統等組成，具體設計及要求如下：

1）支架設計采用正四連桿穩定機構，四連桿為前雙、后單連桿布置形式；

2）頂梁為整體頂梁帶伸縮梁結構，支架采用單側活動側護板，另一側焊接固定牢固；

3）頂梁前端設置起吊掛鉤及噴霧裝置；

4）頂梁與掩護梁鉸接處采取擋矸措施；

5）底座為整體剛性底座，底板中后部開擋，前部為滑撬形式；

6）支架推移機構采用“正推移千斤頂+短推桿”的結構形式；

7）主體結構件鉸接銷軸采用擋板型式；

8）設計預留足夠的人行通道，保證操作人員在工作面的順利通行；

9）腳踏板采用花紋板設計形式；

10）支架各類大結構件設吊裝環或孔；

11）支架最大運輸長度不超過5 500 mm；

2.3 三維仿真及設計簡圖

1）三維仿真模型簡圖見圖1。

圖1 ZF3800-15-23輕型支架三維模型示意圖

2）總圖設計簡圖見圖2。

圖2 ZF3800-15-23輕型支架設計總圖示意圖

2.4 支架特點

1）通過有限元分析，采用Q550高強板設計，使得支架重量較輕，為礦方降低了成本投入，同時對支架升降、搬運、組裝和運輸等減輕了負擔；

2）控頂距較短，減小了頂板的撓曲變形量和底板的鼓起變形量，保證了支架使用的穩定性和采掘的安全性；

3）支架立柱采用適當增大傾角設計，給煤層增加一個主動水平力，對減少冒頂有著重要意義[3-5]。

3 結論

本支架現已在圣華煤業3號煤工作面完成支護工作2年，經礦方反映，使用狀況良好。

本支架可廣泛適用于一些綜放工藝采煤、工作面內地質條件較為簡單、實煤開采量和開采年限都有限、井下運輸和安裝要求重量輕、支護設備投資能力有限的中小型礦井，能有效提升礦井煤炭產量，減輕工人勞動強度，為礦井安全生產提供強有力的機械設備支撐。