1.5m中心距8000kN兩柱掩護式液壓支架設計與應用

佟 友

(天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013)

1 項目概況

花圖溝美日煤礦井田內主要可采煤層3層，分別為6-1上，6-1，6-2號煤層。目前開采6-1上煤層，此煤層1612采區(qū)2012年底開采完畢，工作面配套設備為：ZY6000/11.5/26(92架)支撐掩護式支架、ZZ8000/14/26(中部布置44架)掩護式液壓支架、MG400/930-WD型電牽引采煤機及SGZ764/800型刮板輸送機。目前除使用的44架ZZ8000/14/26型支架底座沒有變形損壞外，其他在用的92架ZY6000/11.5/26型支架底座均出現不同程度地變形、開焊及斷裂。研究表明，主要原因在于液壓支架支護強度不夠。為此，礦方要求對工作面液壓支架重新選型設計，要求在滿足原有設備的基礎上，增加支架的支護強度，確保工作面安全、高效生產。

2 礦井地質條件

花圖溝井田位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準格爾旗境內，行政區(qū)劃屬準格爾旗羊市塔鎮(zhèn)管轄，礦井年產量2.0Mt/a。地表多被第三系半膠結的砂質泥巖及第四系黃土、風積砂土覆蓋。井田內地形復雜，剝蝕切割強烈，樹枝狀溝谷、沖溝發(fā)育，為典型的高原丘陵剝蝕區(qū)地貌。目前開采煤層6-1上，為井田內主要可采煤層，煤層厚度1.25～2.69m，平均厚2.21m。厚度變異系數16.8%，全區(qū)可采。頂板為深灰色泥質粉砂巖、泥巖；底板以深灰色泥巖為主。煤層埋深56.7～175.7m，平均118.1m，屬于淺埋深煤層。

3 液壓支架選型設計

花圖溝美日煤礦支架損壞的主要原因在于初撐力不足、支護強度不夠，要解決上述問題有2種方法：一是將支架中心距增大到1.75m；二是支架中心距保持1.5m不變，但立柱缸徑需增大到φ340mm規(guī)格。前者由于中心距的變化，現有機組和刮板運輸機等設備滿足不了配套要求，無法使用，大大增加了投資。為了節(jié)省資金，提高設備的利用率，在滿足地質條件要求的前提下，盡可能選用1.5m中心距液壓支架，但需要加大支護立柱規(guī)格，以提高支護強度。

3.1 支架主要參數的確定

3.1.1 支護強度的確定

計算支架支護強度，一般采用下面2種方法計算，取其中的最大值。

(1)按巖石容量法公式計算：

(1)

式中，P為支護強度，kN/m2；h為采高，m；γ為頂板巖石容重，kN/m3；Kp為巖體碎脹系數；n為安全系數。

(2)根據現場實測數據的回歸公式計算：

P=72.3h+4.5Lp+78.9Bc-12.24N-62.1

(2)

式中，LP為基本頂周期來壓步距，m；Bc為控頂距，m；N為充填系數，直接頂與采高的厚度比。

煤層原始參數見表1。

將表1中的參數分別代入式(1)、(2)，得：

按巖石容量法公式計算支架支護強度P=750kN/m2，根據現場實測數據的回歸公式計算，支架支護強度P=834kN/m2。

表1 6-1上煤層原始參數

通過以上采用理論計算法、現場實測回歸公式等進行論證，比較分析計算結果可知，支架支護強度取0.84MPa左右能夠滿足工作面要求，但是在實際使用中此支護強度的支架柱窩出現開裂、底座主筋母材有局部斷裂現象，且在使用中工作面中部經常出現壓死架現象，另外偏幫現象也比較嚴重，實際證明按照傳統(tǒng)支護強度的計算方法在美日煤礦并不適用，應該充分考慮淺埋深煤層礦山壓力顯現的復雜情況。在上一采區(qū)中部損壞的44架支架由ZZ8000/14/26型支架替代使用，在應用中沒有出現問題，證明美日煤礦6-1上煤層1615采區(qū)額定支護強度定為0.90MPa左右比較合適。

3.1.2 支架額定工作阻力確定

工作阻力可按公式Q=C·P·BC·SC/KC進行計算。式中，Q為液壓支架額定工作阻力，kN/架；C為備用系數，一般取1.1～1.2，取1.1；BC為控頂距，取4.6m；SC為支架中心距，1.5m(1.75m)；KC為支撐效率，二柱掩護式支架取0.88。

將各參數代入計算得：Q=7762.5 (kN/架)

3.1.3 支架結構高度的確定

由于平均煤厚2.21m，易知，支架最大采高以2.4m為宜，考慮到頂板下沉量、過機空間等要求，最大結構高度選用2.6m。根據立柱行程及配套要求，最低結構高度確定為1.3m。

綜上所述，考慮到與原有設備的配套性(采煤機，刮板輸送機，支架搬運車等)，應該選用1.5m中心距的液壓支架，但由于1.5m中心距液壓支架受立柱缸徑的限制，最大工作阻力僅達到6800kN，工作阻力提高幅度不大，難以滿足實際生產的需要，為此天地科技股份有限公司研發(fā)了新型φ340mm抗沖擊雙伸縮立柱，可把液壓支架的工作阻力提高到8000kN，相比于6800kN工作阻力的支架提高18%,最終確定支架型號為ZY8000/13/26，見圖1。

圖1 ZY8000/13/26型兩柱掩護式液壓支架

3.2 支架主要技術參數

根據上述計算結果和工作面生產能力及配套設備要求，確定液壓支架主要技術參數如下：

支架高度：1300～2600mm；支架寬度：1440～1610mm；支架中心距：1.5m；初撐力(P=31.5MPa)：5716kN；工作阻力(P=44.08MPa)：8000kN；支護強度：1.0～1.12MPa；底座前端對底板比壓：2.7～4.1MPa；移架步距：800mm；立柱缸徑為φ340mm的雙伸縮立柱；操縱方式：鄰架控制。

3.3 φ340mm立柱結構特點

目前國內立柱缸徑排列為φ300mm，φ320mm，φ360mm…,無340mm規(guī)格，φ340mm缸徑的立柱屬于新開發(fā)設計產品。

此立柱在設計中采用了大缸底結構，有效地減少了70mm的固定段長度，增大了伸縮比，使支架具有相對較高的支撐效率；由于外缸增大到φ340mm，中缸壁厚能夠加大，從而使一級、二級及外缸的缸徑配比更加合理，受力均勻，增加了立柱的可靠性，安全閥開啟壓力達到44.1MPa，比同類立柱開啟壓力高出10%；立柱缸口連接設計采用了矩形螺紋，螺紋在密封外側，拆裝容易，密封可靠，并且螺紋外側加裝O型密封，使螺紋不易生銹，如圖2所示；立柱增加了旁路安全閥，增強立柱的過載保護，提高了立柱的抗沖擊能力。

圖2 立柱缸口結構對比

4 應用情況

經過重新選型設計后的支架和原有設備于2013年3月初在花圖溝美日煤礦6-1上煤層1615采區(qū)開始使用。煤層平均厚2.21m(2.4m占80%)，傾角2～3°，工作面長200m，配套MG400/930-WD型采煤機、SGZ764/800型刮板輸送機。截至2013年8月底，工作面正常生產了6 個月，1615采區(qū)全部采完，共推進了1400m，1616采區(qū)已推進50m，總共生產原煤1.0Mt，經受住了工作面基本頂2次初次來壓和周期來壓的考驗，達到了預期的目標。

5 結 論

(1)在原有設備不變的情況下選用ZY8000/13/26型支架能夠適應6-1上煤層的地質條件。

(2)通過開發(fā)設計φ340mm缸徑的立柱，1.5m中心距的支架能夠設計最大工作阻力8000kN。

(3)通過實踐證明，在6-1上煤層僅根據理論計算得到的支架支護強度偏小，支架在使用一段時間后損壞嚴重。根據現場地質資料，充分考慮淺埋深情況的影響，設計了支護強度大于0.9MPa的支架，解決了工作面的支護問題。因此，此地區(qū)支架的選型應重點考慮淺埋地壓的影響，建議支架的支護強度不應小于0.9MPa。

(4)此液壓支架選型經驗對準格爾旗地區(qū)有類似改造要求及新建礦井具有很好的借鑒意義。

[參考文獻]

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