大采高液壓支架結構的設計及適應性分析

劉 樂

（山西中招招標代理有限公司，山西 太原 030053）

引言

厚和特厚型煤層在我國屬于高效高產煤礦的主采煤層，無論是煤炭儲量還是年產量占比均超總量的45%，同時具備穩定的賦存、堅硬的煤質、較淺的埋深等優勢，特別適合進行大采高采煤綜合性機械化作業。在采煤機進行割煤作業的高度有所增加的情況下，而冒落頂板的巖層沒有填充完全，作業面承受的壓力開始明顯增加，容易引起頂板發生冒頂等事故。通過對破壞覆巖的結構特征、礦山的壓力、失穩性機理等方面的研究，有力促進了控制圍巖的穩定性技術的升級發展，只是沒能將液壓式支架的設計優化同理論研究有效結合，影響控制圍巖的裝備研發。本文針對某煤礦大采高為7.0 m的開采高度，進行相關內容的分析研究。

1 大采高作業面所覆蓋的巖層斷裂構成

按照某煤礦對其煤層進行劃分的基本要求，當機采工作面的高度達到3.5 m 以上可稱之為大采高采煤工作面。近些年，在對高于6.0 m 大采高的工作面做了大量分析統計后發現，其工作面出現覆巖的破斷性結構、礦山的壓力、圍巖與支架互相作用的關系等方面同其他工作面存在顯著差異，因為增加機采高度，在采煤機截煤后頂板破碎沒有得到及時填充，造成工作面礦壓動載有明顯的顯現，增加了頂板的控制困難，同時，增加工作面采煤壁的高度，降低了煤壁自穩性，使其承載力有所降低，容易使煤壁發生片幫或冒頂性風險[1]。

該煤礦最大的采高作業面是7.0 m，根據5-2 煤層所處的實際條件，選擇UDEC 系統對5-2 開采煤層進行研究，作業導致覆蓋巖層出現斷裂的具體情況見圖1。

圖1 頂板的斷裂形式

根據對該礦大采高工作面的頂板斷裂巖層結構數據進行的分析結果可知：因為采煤工作面開采最大的高度在7.0 m 時，開采煤層作業對其上覆的巖層采動會產生較大范圍的影響，即使基巖層較厚，其承載架構仍可形成。在5-2 采煤層的上部平均6.7 m的砂巖粉砂破碎后未能完全填補采空區，在砂巖碎石上面，平均處在13.6 m的細粒巖中，有部分呈現“懸臂”狀況，同時與粉砂+、巖相結合，形成了承載架構“砌體梁”。實踐驗證，大采高的基巖層厚度越高，其頂板巖開采層在斷裂之后，越是容易出現“砌體梁+懸臂梁”的承載架構[2]。因為大采高作業面的頂板遭到破壞會影響采空的充填效果，亞關鍵1 層和2 層都產生有規律斷裂，礦山作業面承受大小式的規律性施壓，以致暴露出礦山遭受到的壓力具有動載性特征，頂板出現“砌體梁”和“懸臂梁”，同時斷破是工作面最嚴重險情，會給液壓式支架造成強烈的動載沖擊。

2 液壓保護支架及圍巖相關動力學研究

因為大采高采煤作業面承受的壓力表現出顯著動載性特點，選擇比較原始的靜力學形式研究難以得出頂板的來壓載荷沖擊數據，故此，根據其頂板的巖層結構，搭建圍巖及液壓式支架的動力學簡化模型。以圍巖及液壓式支架具備剛度的特征，用彈性滑移體代替液壓式支架，用損壞破碎體代替直接頂板，因為亞關鍵1 層發生破斷仍呈大塊狀，可用較強剛度彈性體代替，亞關鍵1 層上部隨動的巖層用損壞的破碎體代替，亞關鍵2 層可用剛體替代，用損壞的破碎體替代底板的巖層，采空區矸石以可壓縮破碎體替代。

3 大采高礦用液壓保護支架的設計改造

要想有效提高大采高為7.0 m 支架具備的動載荷承受力，需選用抗沖擊雙伸縮高性能的液壓保護支柱，該支柱設計缸口選擇矩形加強型的螺紋進行連接，選擇三導式的向環分布、獨特的焊縫缸底，增加含入段長度和整體的封密溝槽及封密圈等，使立柱的可靠性和沖擊性得到有效提高[3]。四連桿固定結構的設計選擇雙前式作用連桿和雙后式作用連桿，可使支架的安全性和可靠性得到有效提高。液壓保護支架頂梁的前部的設計選擇6 根縱筋，以達到提高頂梁承壓力的設計目的，頂梁與其底座選擇“并”形的箱體構造和U 形兩層板進行固定，使其支架承受壓力的關鍵點達到焊接及強度要求，如圖2所示。

圖2 抗沖擊載荷關鍵結構設計

要想有效提高大采高的液壓式支架的支護能力，就要避免由于初撐作用差導致底座陷進底板等問題造成頂板剝離，以及進一步增加作業面承受動載荷作用壓力。因此，提出選擇高壓單獨升柱控制軟件。該支柱在下腔時，壓力小于控制閥額定壓力（25～35 MPa），則控制高壓閥開啟，由控制系統向立柱的下腔自動補液加壓，壓力為25～37.5 MPa，同時根據具體情況對支架的高度進行自動調節[4]。

4 大采高的液壓保護支架相關適應性研究分析

該煤礦15207 采煤作業面的高度是350 m。選擇ZY17000/32/70D型的174 架掩護型雙柱防護支架，選擇KJ216A 類的頂板監控測試軟件，配置22個礦壓監測分站，對所得來壓周期強度、步距等相關數據進行如下分析：

該工作面平均支護阻力是34.9 MPa，最大可達49.3 MPa，因其受到來自東部作業面采空區作業影響，礦壓在工作面6 號監測站明顯加劇，同時表現出周期大小明顯的來壓，其強度比中、下部監測站表現明顯[5]。中部強度比下部高，同時表現出一定大小的周期性，來壓規律周期不明顯。其工作面來壓周期步距是7.8～28 m，平均16.1 m，表現為波浪狀的特征。

工作面在沒有來壓時的礦壓比較低，在來壓后較大，同時表現出一定的沖擊動載性特征，大采高ZY17000/32/70D型的液壓式支架關鍵部位和主體性結構都沒有出現破裂，其支架所承受的阻力及其強度都符合標準，對頂板具有非常不錯的承受力[6]。作業面開采產生的片幫量較小，其深度低于800 mm，大部分在300～400 mm 之間，伸縮梁和護幫板分體的護幫式結構能夠對煤壁起到較好的控制保護效果，抗損壞性較好，對煤壁保護具有較好的可靠性和防護性。

5 結論

1）根據大采高7.0 m 工作面的頂板“砌體梁+懸臂梁”結構和煤層同防護架形成剛性特征，構建大采高防護支架及其圍巖組建動力學仿真模型，把“砌體梁”頂端巖層作為模型邊界限定條件，把液壓式支架立柱的動載抗擊性作為模型構建的理論基礎。

2）掩護型防護支架具備較強的保護能力、四連桿固定結構受力均勻，好于掩護型的保護支架，同時保持了重量輕和強度高等優勢特點。

3）大采高保護支架能夠起到護幫作用，伸縮式頂梁及護幫式頂板分離架構不但能夠幫助護板發揮支護的作用，還能夠通過伸縮梁施加給煤壁較大作用力，其護幫力、可靠性及其作用位置的合理性都優于連體式結構。

4）在該煤礦的兩柱ZY17000/70D型掩護式的大采高防護支架的設計中，選擇雙伸縮防護支柱、自動供回液閥、高壓的升柱控制系統，使大采高作業面的動載抗擊性、煤壁可靠性能及液壓支架的適應性得到有效提高。