綜放液壓支架選型及工作阻力確定

史 帆

（山西高平科興牛山煤業(yè)有限公司， 山西 高平 048400）

引言

隨著綜采工作面的不斷推進，工作面頂板的直接頂會出現(xiàn)斷裂和冒落的情況，從而對綜采工作面的煤壁和液壓支架造成動壓作用。由于工作面推進所導致的老頂斷裂在對煤壁造成沖擊的同時，也會對液壓支架造成沖擊，從而液壓支架的支護性能提出了更高的要求。因此，為綜采工作面選擇合適工作阻力的液壓支架，對于保障安全生產具有重要意義。而液壓支架的選型必須結合綜采工作面的地質、煤層以及礦壓規(guī)律等條件綜合確定[1]。本文將以工程實例為基礎完成綜放液壓支架的選型，并確定其工作阻力。

1 3 號煤層工程概況

本文以靈泉礦井為例開展研究，該煤礦可開采的煤層共13 層，煤層的總厚度約為48.63 m；具體以其中的3 號煤層所屬工作面為例開展系列研究。3 號煤層所屬工作面煤層平均厚度為13.09 m，煤層最大厚度為24.35 m、最小厚度為3.95 m；煤層的傾角范圍為2°～8°；從整體上看，該工作面煤層結構相對穩(wěn)定且層理節(jié)理發(fā)育。該煤層的頂板以細砂巖和砂質泥巖為主，具有較強的透水性，呈現(xiàn)相對松散且易碎的狀態(tài)；底板以粉砂巖和泥質砂巖為主，透水性較差且呈現(xiàn)不良的膠結狀態(tài)。

目前，3 號煤層采用走向長壁綜采放頂采煤技術，對應的采煤工藝參數如下：煤層的截割高度為3 m，放頂煤的厚度為6.5 m，采煤機采用斜切進刀工藝開始截割任務，對應的放煤步距為1.6 m。為保證所選擇的液壓支架完全適用于3 號煤層綜采工作面，應結合該工作面液壓支架的工作現(xiàn)狀進行分析。

2 液壓支架工作現(xiàn)狀分析

工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律可直觀表現(xiàn)礦山壓力，可對所選型液壓支架的適應性進行評估，同時可指導礦山生產的其他活動[2]。本工程采用支架壓力記錄儀對當前工作面的液壓支架的壓力進行監(jiān)測，具體監(jiān)測方案如下：在綜采工作面上、中、下3 個位置分別布置3 條監(jiān)測線，每條監(jiān)測線上配置兩臺支架壓力記錄儀。

2.1 液壓支架初撐力分析

液壓支架初撐力決定設備能夠達到工作面頂板的支護要求，直接影響液壓支架對綜采工作面頂板支護安全性。當液壓支架初撐力過小時容易導致工作面出現(xiàn)離層現(xiàn)象，進而導致工作面出現(xiàn)切頂的事故；當工作面頂板來壓對液壓支架造成較大的沖擊，則會導致事故的發(fā)生；同時，初撐力過小也會影響最終礦壓監(jiān)測結果的準確性[3]。不同位置液壓支架的平均初撐力統(tǒng)計結果如表1 所示。

表1 液壓支架初撐力統(tǒng)計結果 kN

通過分析表1 可知，當前所配置液壓支架的平均初撐力僅為2 722.9 kN，占據液壓支架額定初撐力的36.8%。由此說明，工作面大部分液壓支架的初撐力還未達到額定初撐力的要求。因此，為保證礦山壓力監(jiān)測結果的準確性和液壓支架工作面的支護效果，應適當提升每個液壓支架的初撐力。

2.2 液壓支架工作阻力分布情況

結合液壓支架工作阻力在不同區(qū)間內占比可對工作面所有液壓支架的工作性能和頂板的沖擊程度進行綜合評估。從理論上講，液壓支架工作阻力的最佳發(fā)布形式為正弦波形式。本工作面液壓支架工作阻力分布情況如表2 所示。

表2 液壓支架工作阻力分布情況

從整體上分析，工作面液壓支架工作阻力能夠基本滿足實際生產的支護要求。但是，當工作面面臨更大的負荷時，當前液壓支架將無法勝任。

通過對當前工作面液壓支架的支護現(xiàn)狀進行分析，針對其礦壓規(guī)律可總結如下：

1）當前液壓支架的受力情況不良，容易導致綜采工作面出現(xiàn)片幫和冒頂的嚴重事故。

2）經實測，3 號煤層所屬工作面的基本頂的周期來壓的最大步距為17.8 m、最小步距為6.7 m；3 號煤層所屬工作面來壓期間的平均動載系數為1.54；說明該工作面的來壓較為頻繁且來壓較為劇烈[4]。

3）當前工作面液壓支架的初撐力普遍未達到額定初撐力的要求，導致液壓支架支護效果偏差。

4）雖然當前液壓支架工作阻力能夠基本滿足當前生產要求，但是其富余系數不滿足可持續(xù)生產的要求。

3 液壓支架的選型及其支護強度和工作阻力的確定

為解決當前3 號煤層所屬工作面液壓支架在實際支護過程中所面臨的問題，本節(jié)將通過合理、科學確定液壓支架的形式和工作阻力兩方面解決上述問題。

3.1 液壓支架的選型

綜合考慮所選型液壓支架的通風、行人空間、成本、可靠性、放煤空間等綜合性因素，并結合3 號煤層所屬工作面的地質、巷道形狀等實際情況，本文工程采用雙輸送機四柱式插板正四連桿低位放頂煤支架[5]。

3.2 液壓支架支護強度和工作阻力的確定

3.2.1 支護強度的確定

針對液壓支架支護強度，本節(jié)將采用數值模擬的方式進行確定。首先，根據3 號煤層所屬工作面的實際情況建立模型，分別對液壓支架不同支護強度下的頂板下沉量和煤壁在水平方向的最大位移量進行對比。仿真結果如表3 所示。

表3 不同液壓支架支護強度對應圍巖的控制效果

由表3 可知，隨著液壓支架支護強度的增加對應頂板的下沉量不斷減小，減小趨勢逐漸變緩；當支護強度為0.1～0.6 MPa 時，隨著支護強度的增加對應煤壁水平位移減小；當支護強度為0.8～1.4 MPa 時，工作面煤壁水平位移幾乎不變。因此，綜合分析將液壓支架支護強度確定為1.0 MPa。

3.2.2 工作阻力確定

工作阻力的確定根據式（1）計算所得：

式中：P 為液壓支架工作阻力；q 為液壓支架支護強度，取 1 MPa；Lk為空頂距，取 0.4 m；LD為液壓支架頂梁長度，取4.75 m；B 為液壓支架中心距，取1.5 m；Ks為液壓支架支撐效率，取0.92。

將上述參數代入式（1）得出，滿足實際生產的液壓支架工作阻力設定大于8 070 kN。因此，將液壓支架工作阻力圓整為8 100 kN。

4 結語

液壓支架為綜采工作面的主要支護設備，液壓支架與工作面的匹配性直接決定對綜采工作面頂板和兩幫圍巖的控制效果，進而影響綜合機械化生產的安全性和效率。本文以3 號煤層所屬工作面為例，在對當前液壓支架工作參數現(xiàn)狀分析的基礎上，對液壓支架的支護參數進行重新設計，并總結如下：

1）當前液壓支架主要表現(xiàn)為支護強度余量不足、初撐力不滿足要求的問題；

2）結合3 號煤層所屬工作面實際情況，最終確定液壓支架支護強度為1.0 MPa，工作阻力為8 100 kN。