超長軟頂綜采工作面液壓支架選型研究

郭 超，李 麗，李新旺，王漢青

（1.冀中能源峰峰集團(tuán) 梧桐莊礦，河北 邯鄲 056200；2.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；3.河北工程大學(xué)礦業(yè)與測繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；4.河北工程大學(xué)河北省高校煤炭資源開發(fā)與建設(shè)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

液壓支架是礦井工作面綜合機(jī)械化采煤主要的技術(shù)裝備之一，合理的液壓支架選型可減少回采過程中工作面出現(xiàn)頂板冒頂、支護(hù)強(qiáng)度和阻力不足等礦壓顯現(xiàn)問題[1]。因此，制定合理的液壓支架技術(shù)參數(shù)及其適用性研究來提高支架穩(wěn)定和工作性能，是保障礦井安全回采的重要方面。

為了探究液壓支架主要技術(shù)參數(shù)在選型過程中對(duì)工作面開采的影響，眾多學(xué)者開展了大量的研究。杜偉劍等[2]根據(jù)礦井設(shè)備應(yīng)用的“三機(jī)”原則及磁窯溝煤礦綜采工作面的地質(zhì)條件，并進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)計(jì)算；陳貴廷[3]通過理論計(jì)算與工程實(shí)踐，選取ZY8000/25/50 型液壓支架應(yīng)用于榆樹坡5105工作面，取得了較好的實(shí)踐效果；魏武豪[4]以塔山煤礦8226 綜采工作面為工程背景，利用理論計(jì)算得到液壓支架支護(hù)強(qiáng)度、支架高度及工作面阻力等主要技術(shù)參數(shù)，確定了選用ZF17000/27.5/42D 型支架用于放頂采煤；康志鵬等[5]對(duì)顧北煤礦13121 工作面開采條件進(jìn)行分析并建立力學(xué)模型，確定選用ZZ13000/24/50 型支撐掩護(hù)式液壓支架，并分析了支架適應(yīng)性程度；秦小云[6]以寺河礦4301 大采高超長工作面為背景，利用現(xiàn)場實(shí)測與理論計(jì)算等方法，對(duì)ZY12000/28/62D 型液壓支架進(jìn)行了適應(yīng)性研究，結(jié)果表明各項(xiàng)參數(shù)符合該工作面的安全生產(chǎn)要求。本文以梧桐莊煤礦182605 超長軟頂工作面為研究背景，通過地質(zhì)資料調(diào)查、理論計(jì)算和數(shù)值模擬，對(duì)該工作面液壓支架的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行確定，并根據(jù)合理的選型參數(shù)最終選取適用于梧桐莊礦井182605 綜采工作面的液壓支架型號(hào)。

1 概 況

梧桐莊煤礦182605 工作面位于井下六采區(qū)2號(hào)煤層，原182605 工作面劃分為182605下工作面和182605 工作面進(jìn)行回采。182605下工作面設(shè)計(jì)走向長度640 m，傾向長度202 m，煤層底板標(biāo)高為-570—-670 m。工作面里段煤層平均傾角6°，外段煤層傾角6°～44°，平均煤厚為3.45 m，且煤厚整體變化不大。基本頂厚度為3.30 m，直接頂厚度為5.71 m，基本底厚度為8.90 m，直接底2.40 m，頂?shù)装鍘r層特征見表1。

表1 頂?shù)装鍘r層巖性特征Table 1 Lithological characteristics of roof and floor strata

2 支架主要技術(shù)參數(shù)確定

2.1 支架支撐高度

通常放頂煤支架的最大結(jié)構(gòu)高度大于最大采高0.2 m 左右的原則，故支架最大支撐高度計(jì)算公式如下：

式中：Mmax為182605 工作面最大采高，取3.6 m。

根據(jù)上述公式計(jì)算和煤厚及其賦存條件，并考慮直接頂因素及目前較為成熟架型及雙伸縮立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，支架最大與最小支撐高度分別確定為4.2 m 和1.9 m。

2.2 支架中心距確定

選擇匹配的液壓支架中心距應(yīng)根據(jù)不同開采條件和不同工作阻力進(jìn)行選取，主要依據(jù)礦井運(yùn)輸條件、開采工作面長度和配套設(shè)置之間的關(guān)系確定。超長工作面開采勢必會(huì)導(dǎo)致液壓支架的工作阻力增加，須使液壓支架中心距增加來緩解因阻力過大產(chǎn)生的安全隱患，避免礦井事故的發(fā)生。通過對(duì)大量礦井液壓支架采用的中心距大小進(jìn)行調(diào)查實(shí)證，常用的液壓支架主要使用1.5 m 和1.75 m 中心距。結(jié)合182605 工作面的煤厚、地質(zhì)條件及經(jīng)濟(jì)性并根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)液壓支架中心距的要求，綜合考慮選取液壓支架中心距為1.5 mm。

2.3 支架支護(hù)強(qiáng)度和工作阻力

根據(jù)受力平衡條件，頂板壓力與支護(hù)阻力一致時(shí)達(dá)到平衡。支護(hù)阻力不足會(huì)導(dǎo)致頂板較早地下沉壓架和頂板離層破碎，但如果僅考慮大的支護(hù)強(qiáng)度來保證安全，會(huì)增加設(shè)備重量和資金投入，也不利于井下搬運(yùn)和安裝。因此，需要確定合理的支架支護(hù)強(qiáng)度。

（1） 巖重法。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，工作面支架支護(hù)強(qiáng)度與工作面實(shí)際采出煤層厚度有關(guān)，通常為采高的6～8 倍，可用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：n 為支護(hù)強(qiáng)度與采高的倍數(shù)關(guān)系；HM為采高，取3.3 m；γ 為上覆巖層密度。根據(jù)182605 工作面實(shí)際地質(zhì)條件，代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得P 為0.542～0.723 MPa。

（2） 頂板分類法。

對(duì)支架支護(hù)強(qiáng)度的計(jì)算，主要以頂板類型為基準(zhǔn)，即：

式中：PKP為頂板系數(shù)，輕型頂板取1.0，中型頂板取1.5，重型頂板取2.0；MB為最大采高，取3.3 m。根據(jù)182605 工作面實(shí)際地質(zhì)條件，頂板系數(shù)取1.5。計(jì)算后可得P 為0.801 MPa。

（3） 傳遞巖梁法。

對(duì)于回采工作面頂板巖層的控制，其運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí)間和范圍等因素是決定工作面頂板壓力大小的關(guān)鍵。大量煤炭開采工程中實(shí)例表明，受開采影響的范圍是較為有限的，起到作用的巖層主要包括直接頂和老頂，形成如圖1 所示的“傳遞巖梁”結(jié)構(gòu)形態(tài)。本文基于礦山壓力理論，并利用鄭州煤礦機(jī)械有限公司研發(fā)的液壓支架與圍巖關(guān)系模型分析系統(tǒng)，對(duì)回采工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)發(fā)展規(guī)律及礦山壓力分布和顯現(xiàn)發(fā)展規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖1 “傳遞巖梁”理論結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Theoretical structure of'transfer rock beam'

圖2 和圖3 分別給出了頂板初采來壓和頂板周期來壓壓力數(shù)值模擬值。從圖中可以看出，工作面推進(jìn)至45 m 時(shí)，煤壁前方10 m 處Kmax為1.12；工作面推進(jìn)至370 m 時(shí)，煤壁前方10 m 處Kmax為1.97。

圖2 頂板初采來壓壓力模擬值Fig.2 Roof initial mining pressure simulation value

圖3 頂板周期來壓壓力模擬值Fig.3 Roof periodic pressure simulation value

根據(jù)上述3 種工作面支架支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果匯總見表2。

表2 3 種方法計(jì)算支架支護(hù)強(qiáng)度結(jié)果Fig.2 Roof periodic weighting pressure simulation value

綜合上述計(jì)算結(jié)果分析，并考慮工作面支架使用的安全性和經(jīng)濟(jì)合理性，支架支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)不小于0.823 MPa。據(jù)此對(duì)支架工作阻力進(jìn)行計(jì)算。由配套尺寸、支架的頂梁長度和空頂距，可得：

式中：F 為液壓支架工作阻力；q 為液壓支架支護(hù)強(qiáng)度，取0.823 MPa；LK和LD分別為空頂距與液壓支架頂梁長度；B 為支架中心距，取1.5 m。根據(jù)以上計(jì)算得支架工作阻力為6 247 kN，最終圓整為6 400 kN。

2.4 支架初撐力

合理的支架初撐力對(duì)于減小煤幫外臌量和頂板下沉量，緩解圍巖壓力和提高支架工作阻力，以及在應(yīng)對(duì)片幫、煤壁變形等方面具有重要的控制作用。結(jié)合182605 工作面實(shí)際情況，對(duì)于的大采高和超長工作面的支架初撐力與支架工作阻力的比例系數(shù)μ 取75%～80%。初撐力計(jì)算公式如下：

根據(jù)182605 工作面煤層頂板穩(wěn)定性情況，結(jié)合頂板周期垮落特征及液壓支架放煤對(duì)頂煤的反復(fù)破碎能力，液壓支架初撐力確定為5 232 kN。

3 綜采工作面支架選型確定

3.1 支架選型參數(shù)確定

經(jīng)過支架主要技術(shù)參數(shù)的合理確定，結(jié)合礦井原有ZZ4800/18/9D 支架運(yùn)輸不能適用于當(dāng)前的開采條件，最終確定梧桐莊礦182605 回采工作面采用ZZ6400/19/42D 四柱支撐掩護(hù)式液壓支架，主要技術(shù)參數(shù)如下：

高度/mm 1 700~3 500寬度/mm 1 430～1 600中心距/mm 1 500初撐力/kN 5 232工作阻力/kN 6 400平均支護(hù)強(qiáng)度/MPa 0.75～0.8平均對(duì)底板比壓/MPa 2.3～2.5移架步距/mm 630適應(yīng)傾角/（°） ＜45

3.2 軟頂與大傾角控制關(guān)鍵技術(shù)

復(fù)合軟頂板存在容易發(fā)生煤壁片幫和破碎等問題，以及大傾角綜采工作面開采環(huán)境較為復(fù)雜。為解決182605 回采工作面軟頂和大傾角控制的關(guān)鍵問題，采用的ZZ6400/19/42D 四柱支撐掩護(hù)式液壓支架為支架側(cè)護(hù)板全封閉型，并設(shè)計(jì)伸縮梁機(jī)構(gòu)，伸縮梁行程為700 mm，大于截深630 mm；設(shè)計(jì)一級(jí)護(hù)幫板，小四桿機(jī)構(gòu)，保證護(hù)幫力；加大前梁千斤頂缸徑（選用是φ160 mm），調(diào)頂壓力調(diào)整至40 MPa；支架活動(dòng)側(cè)護(hù)板調(diào)整支架姿態(tài)，加強(qiáng)型側(cè)護(hù)板設(shè)計(jì)；底座寬度適當(dāng)加寬，增加自身抗傾倒能力，并設(shè)計(jì)底調(diào)橫梁，配置2 個(gè)調(diào)底座千斤頂；底座設(shè)計(jì)長推桿結(jié)構(gòu)，以增加防滑能力。

ZZ6400/19/42D 型四柱支撐掩護(hù)式液壓支架實(shí)體如圖4 所示。

圖4 ZZ6400/19/42D 型四柱支撐掩護(hù)式液壓支架Fig.4 ZZ6400/19/42D four-column support shield hydraulic support

3.3 現(xiàn)場實(shí)踐效果和經(jīng)濟(jì)效益

選用ZZ6400/19/42D 型液壓支架，較以往支架工作阻力增大，采高范圍增大，增加了煤炭資源的回收率，能更好的適應(yīng)182605 回采工作面的工況，使工作面推進(jìn)度可達(dá)10 刀水平，并有效控制了頂板出現(xiàn)冒頂和流砟等事故發(fā)生，防止了從架間、架縫和頂梁鉸接處掉落碎砟，很大程度的減少了工人清砟工作量，且操作便捷。在經(jīng)濟(jì)效益方面，182605 工作面平均月產(chǎn)量相比原有生產(chǎn)能力提高了2 萬t，全年增加收益近24 000 萬元；降低了工作面支架檢修次數(shù)，以服務(wù)年限18 個(gè)月計(jì)算，可節(jié)省人工費(fèi)72.9 萬元。

4 結(jié) 論

（1） 通過理論計(jì)算得出梧桐莊煤礦182605 工作面回采所需液壓支架最大與最小支撐高度分別確定為4.2 m 和1.9 m。通過對(duì)3 種方法計(jì)算結(jié)果分析，確定支護(hù)最佳強(qiáng)度為0.832 MPa，據(jù)此設(shè)計(jì)支架工作阻力為6 400 kN。

（2） 采用ZZ6400/19/42D 型四柱支撐掩護(hù)式液壓支架，對(duì)工作面出現(xiàn)的軟頂和大傾角問題具有較好的控制作用，且具有防倒防滑性能、運(yùn)行平穩(wěn)和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

（3） 該型液壓支架較以往支架工作阻力增大，采高范圍增大，增加了煤炭資源的回收率，能更好的適應(yīng)182605 工作面的實(shí)際情況，且具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。