薄煤層液壓支架存在的問(wèn)題與應(yīng)對(duì)建議

馬艷偉

（華陽(yáng)一礦機(jī)電工區(qū)綜機(jī)隊(duì)，山西 陽(yáng)泉 045000）

薄煤層開(kāi)采技術(shù)難度大，其開(kāi)采過(guò)程需要采用先進(jìn)的采煤技術(shù)和設(shè)備。而在薄煤層開(kāi)采過(guò)程中，液壓支架是關(guān)鍵設(shè)備，其承載能力、適應(yīng)性、穩(wěn)定性、靈活性和安全性等對(duì)薄煤層開(kāi)采至關(guān)重要。因此，探討薄煤層開(kāi)采的支護(hù)特點(diǎn)和液壓支架的關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)適用于薄煤層開(kāi)采的液壓支架技術(shù)具有重要意義[1-3]。

1 薄煤層開(kāi)采現(xiàn)狀

煤層的厚度是決定開(kāi)采難度的重要指標(biāo)。一般而言，厚度不足0.8 m 的煤層稱之為極薄煤層，厚度在0.8～1.3 m 的煤層稱之為薄煤層，這兩種厚度較薄的煤層開(kāi)采難度較大[4]。隨著煤礦中厚、厚煤層煤炭資源的枯竭，煤礦開(kāi)采機(jī)械化技術(shù)的進(jìn)步，以前難以開(kāi)采的薄煤層也越來(lái)越得到煤礦企業(yè)的重視，許多煤礦將其作為主要的開(kāi)采資源[5]。在薄煤層開(kāi)采過(guò)程中，需要的勞動(dòng)強(qiáng)度更大，且受到空間限制，無(wú)法使用大型的機(jī)械化生產(chǎn)工具，因此許多煤礦的薄煤層開(kāi)采效率很低。從薄煤層資源儲(chǔ)量方面來(lái)看，據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，我國(guó)95 個(gè)重點(diǎn)煤炭生產(chǎn)單位80 多個(gè)集團(tuán)公司，10 多個(gè)省的400 多個(gè)礦井都賦存有薄煤層或極薄煤層，保有工業(yè)儲(chǔ)量達(dá)90 多億t，可采儲(chǔ)量約60 億t，約占煤炭總可采儲(chǔ)量的20%[6-7]。而我國(guó)薄煤層的產(chǎn)量?jī)H占煤炭總產(chǎn)量的10%左右，遠(yuǎn)低于儲(chǔ)量所占的比例，造成了產(chǎn)量和儲(chǔ)量的比例失調(diào)，部分資源長(zhǎng)期未得到開(kāi)采[8]。

2 煤層概況

華陽(yáng)五礦己15-32010 工作面位于礦井東部邊界，西部為實(shí)體煤層。煤層厚度為0.65～1.2 m，平均厚度1.05 m，煤層平均傾角7°，最大傾角21°。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有2 層夾矸，但整體穩(wěn)定可采。煤層直接頂為厚度0～1.5 m 的粉砂巖，老頂為平均厚度3.3 m 的砂巖，屬于Ⅱ類頂板。直接底板是砂質(zhì)泥巖。

己15-32010 工作面采用綜采工藝，使用ZY3200/07/15 型兩柱掩護(hù)式液壓支架和MG330/730 采煤機(jī)，選用SGZ630/150 型刮板輸送機(jī)和SZD-630/75P 型轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)行輸送，順槽運(yùn)輸采用SSJ800/2×55kW 型可伸縮膠帶運(yùn)輸機(jī)。

3 薄煤層超前支承壓力分析

煤礦工作面進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，采空區(qū)上方的巖層將載荷向煤壁前方轉(zhuǎn)移，形成支承壓力帶。由于支承壓力的作用和開(kāi)采撓動(dòng)的影響，隨著支承應(yīng)力逐漸增加，煤壁一定深度內(nèi)的煤體已進(jìn)入塑性或破裂狀態(tài)。根據(jù)支承應(yīng)力峰值位置，煤壁前方的支承應(yīng)力范圍被通常劃分為非彈性區(qū)和彈性區(qū)兩個(gè)區(qū)域。非彈性區(qū)也稱為極限平衡區(qū)，當(dāng)煤壁邊緣形成的集中應(yīng)力超過(guò)煤體的單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)，煤體破壞，承載能力下降，應(yīng)力集中位置向煤壁深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力轉(zhuǎn)移可能會(huì)破壞內(nèi)部一定范圍內(nèi)的煤體。當(dāng)煤壁深度增加時(shí)，煤體受力狀態(tài)逐漸由二向轉(zhuǎn)為三向，承載能力逐漸提高，煤體的破壞程度將越來(lái)越輕，最后在內(nèi)部某一位置煤體的強(qiáng)度和集中應(yīng)力達(dá)到平衡，這個(gè)位置范圍內(nèi)的煤體均處于極限平衡狀態(tài)。彈性區(qū)則表現(xiàn)為支承壓力隨著距煤壁距離的增加而衰減的負(fù)指數(shù)曲線。

對(duì)于薄煤層，由于采高小，最大支承壓力的峰值位置更靠近煤壁，支承壓力的影響范圍更小。此外，礦壓顯現(xiàn)程度更低，支柱或支架壓力較小，頂板來(lái)壓強(qiáng)度較低，動(dòng)載沖擊較小，增加了滾筒截割難度。工作面上下順槽圍巖變形及破壞的程度也較小，出口及超前支護(hù)相對(duì)容易。

圖1 支承壓力分布區(qū)

4 薄煤層液壓支架選型要求

4.1 架型選擇

液壓支架的選型需要考慮多種因素，包括開(kāi)采地質(zhì)條件、運(yùn)輸條件與其配套的設(shè)備等。在國(guó)內(nèi)，薄煤層液壓支架的架型主要采用兩柱掩護(hù)式，而在國(guó)外，如俄羅斯、烏克蘭等國(guó)家，薄煤層液壓支架常用四柱支撐掩護(hù)式。在選擇液壓支架的架型時(shí)，需要根據(jù)工作面的地質(zhì)條件進(jìn)行差異化選擇，以保證支架能夠滿足工作面的需要。

薄煤層開(kāi)采對(duì)液壓支架的要求比較特殊，還需要考慮支架的重量、強(qiáng)度和剛度等因素。由于空間有限，液壓支架的尺寸需要盡可能與所開(kāi)采的薄煤層厚度相適應(yīng)。在薄煤層開(kāi)采中，為了保證通風(fēng)和行人空間，支架前梁通常會(huì)比較長(zhǎng)，這會(huì)導(dǎo)致支架底座前端壓力大于后端壓力，導(dǎo)致支架前端架腳扎底現(xiàn)象。這個(gè)問(wèn)題在底板較軟的煤層中選擇薄煤層液壓支架時(shí)尤其需要考慮。在頂梁偏載時(shí)，頂梁、掩護(hù)梁、前后連桿上的應(yīng)力都較大，柱窩附近和墊塊附近的應(yīng)力值也較高。上下端頭支架受采面輸送機(jī)的影響，容易造成端頭支架落后于中間支架，導(dǎo)致支護(hù)困難。因此，在設(shè)計(jì)薄煤層端頭液壓支架時(shí)，應(yīng)該考慮使用前伸縮梁或更長(zhǎng)的前梁，并將伸縮梁千斤頂嵌入支架頂梁內(nèi)以確保梁下高度。

4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電液控制系統(tǒng)是液壓支架的核心控制系統(tǒng)之一。液壓支架需要實(shí)現(xiàn)千斤頂?shù)纳怠⑦B桿的伸縮、液壓缸的轉(zhuǎn)動(dòng)等復(fù)雜動(dòng)作，這些動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)需要精密的控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的壓力、流量等參數(shù)，以確保支架的穩(wěn)定性和安全性。薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)的引入使得支架的控制更加智能化、精確化，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，提高了生產(chǎn)效率和安全性。

5 應(yīng)用中存在的問(wèn)題及建議

5.1 存在的問(wèn)題

（1）采高限制。確定薄煤層支架的高度非常重要，如果高度過(guò)低，就會(huì)損失更多本來(lái)就很薄的煤炭資源；而如果高度過(guò)高，就會(huì)給薄煤層開(kāi)采來(lái)困難（要破頂、底巖）。因此，支架高度應(yīng)根據(jù)礦區(qū)煤層條件和薄煤層支架設(shè)計(jì)規(guī)范確定。為了應(yīng)對(duì)煤層厚度變化和局部冒頂?shù)惹闆r，防止支架頂空倒塌，保證支架能夠發(fā)揮正常的支護(hù)作用，應(yīng)按照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《液壓支架設(shè)計(jì)規(guī)范》（MT/T 556.1996）的規(guī)定選取支架的最大結(jié)構(gòu)高度。

（2）工作阻力設(shè)計(jì)。由于薄煤層工作面采高低、采空區(qū)頂板易冒落充填，且老頂易形成平衡拱，一般情況下工作面礦壓不明顯。如果支架工作阻力太高，雖然可以減小受到頂板運(yùn)動(dòng)的干擾，保證頂板的控制，但是會(huì)降低煤壁的支承壓力，不利于煤壁的穩(wěn)定。

（3）各部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。在實(shí)際應(yīng)用中，許多液壓支架的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)不合理，不適用于薄煤層對(duì)于結(jié)構(gòu)緊湊和相關(guān)強(qiáng)度要求。

（4）支架重量超重。由于薄煤層的作業(yè)空間有限，在液壓支架進(jìn)入工作面或在其中移動(dòng)時(shí)，由于液壓支架較重量，增加了工作面移架等工序的難度。

（5）缺少遙控和視頻系統(tǒng)。薄煤層工作面比較低矮，工作人員在其中行走不便，容易發(fā)生人身事故。因此，除了需要配置性能優(yōu)良的電液控制系統(tǒng)的薄煤層液壓支架的操作系統(tǒng)外，還應(yīng)當(dāng)增加工作面遙控和視頻等控制系統(tǒng)，便于遠(yuǎn)程控制操作。

5.2 相關(guān)建議

圖2 適用薄煤層的液壓支架

（1）采高設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題。支架需要調(diào)整采高范圍大，可采用雙伸縮立柱來(lái)提高調(diào)高比。為了保證支架在低位狀態(tài)工作時(shí)的支護(hù)效率，最好選擇盡量小的立柱傾角，同時(shí)滿足最小支護(hù)強(qiáng)度要求。為了保證行人安全和通行的舒適性，支架中需要設(shè)計(jì)人行通道，其寬度應(yīng)不少于0.6 m，凈高度為0.4 m。

（2）工作阻力設(shè)計(jì)建議。確定支架工作阻力的原則是在保證控制頂板的前提下盡可能降低工作阻力，以增加煤壁附近的支承壓力，使煤體破壞更加充分，有利于滾筒割煤。

（3）為了實(shí)現(xiàn)薄煤層液壓支架的緊湊設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)交叉布置，采用單平衡千斤頂和雙前連桿，以側(cè)投影重疊，形成最小高度，而彼此又不干涉。支架推桿前部多數(shù)設(shè)計(jì)為板式，以保證強(qiáng)度和剛度，而薄煤層支架推桿前部則采用薄箱形斷面，厚度為100 mm。為減少事故，頂梁和掩護(hù)梁設(shè)計(jì)成整梁，不設(shè)置活動(dòng)側(cè)護(hù)板。板式推桿剛性好，滿足推溜和移架過(guò)程中的強(qiáng)度要求，同時(shí)為人行通道節(jié)約出空間。在薄煤層工作面，由于頂板完整且容易形成平衡拱，通常不需要設(shè)立可活動(dòng)的側(cè)護(hù)板。

（4）增加遙控和視頻技術(shù)的應(yīng)用。通過(guò)安裝攝像頭和監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)支架周邊環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，預(yù)防事故的發(fā)生，同時(shí)還可以方便管理人員進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)度。

6 結(jié)語(yǔ)

薄煤層開(kāi)采對(duì)于提高煤炭資源的利用率具有重要意義，液壓支架作為薄煤層開(kāi)采的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能的優(yōu)劣將直接影響采煤效率和安全生產(chǎn)。因此，我們需要持續(xù)關(guān)注薄煤層開(kāi)采液壓支架技術(shù)的創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，為實(shí)現(xiàn)高效、安全、可持續(xù)的煤炭開(kāi)采做出更大的貢獻(xiàn)。