堅(jiān)硬頂板復(fù)雜地質(zhì)條件下液壓支架適應(yīng)性分析

梁建輝

(西山煤電(集團(tuán))公司 杜兒坪礦，山西 太原 030022)

液壓支架合理選型是綜采工作面實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的重要保證，液壓支架的適用范圍和工作面的地質(zhì)條件密不可分。下面就西山煤電(集團(tuán))杜兒坪礦8#煤層使用的掩護(hù)式液壓支架，從支架結(jié)構(gòu)、初撐力、底座受力以及立柱類型等方面進(jìn)行分析。

1 地質(zhì)概況

杜兒坪礦始建于1956年，隸屬于西山煤電(集團(tuán))公司，礦井設(shè)計(jì)能力為500萬t/a，近幾年每年生產(chǎn)原煤450～480萬 t，井田面積69.7 km2，井田范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層、無炭柱特別發(fā)育，平均每平方千米賦存55～65個(gè)無炭柱，伴生的小斷層較多，多為高角度正斷層，落差一般在1 m左右，可采煤層6層，8#煤層是該礦的主采煤層，頂板較硬，為石灰?guī)r，底板較軟，為細(xì)砂巖，局部區(qū)段轉(zhuǎn)變?yōu)榉凵皫r與砂質(zhì)泥巖互層。煤層中有1～2層夾石，在北三68304工作面掘進(jìn)過程中就發(fā)現(xiàn)14條斷層，10個(gè)無炭柱。2008—2013年，幾乎月月過斷層、無炭柱，發(fā)生比較大的冒頂事故7次。其中，最大的一次處理冒頂事故花了近100天，既影響原煤生產(chǎn)，又存在較大的安全隱患。

2 液壓支架的選型分析

2.1 液壓支架的選型比較

兩柱掩護(hù)式液壓支架架型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)電液控制以實(shí)現(xiàn)工作面高產(chǎn)高效，在國內(nèi)外應(yīng)用越來越廣泛。國內(nèi)首臺(tái)采用電液控制技術(shù)的薄煤層液壓支架是鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)公司2001年為晉城集團(tuán)研制的ZY4400/9/21型薄煤層液壓支架，該支架實(shí)現(xiàn)了刨煤機(jī)工作面的電液控制。后來鄭煤機(jī)械集團(tuán)等企業(yè)吸收先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合沁水煤層的特點(diǎn)研制出最大采高5.15 m的液壓支架，在晉煤集團(tuán)寺河礦、趙莊礦試用，效果不錯(cuò)，最高日產(chǎn)可達(dá)25 000 t。而神華集團(tuán)年產(chǎn)量1 000萬t以上綜采工作面的液壓支架是目前世界上最高的ZY10800/28/63掩護(hù)式液壓支架，支護(hù)高度可達(dá)6.13 m。工作面在頂板完整的條件下，液壓支架的初撐力可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，工作阻力保持額定阻力，支護(hù)效果不錯(cuò)，滿足生產(chǎn)需要。但工作面遭遇無炭柱、斷層等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，頂板破碎、離層程度加劇，煤體片幫嚴(yán)重，造成支架前端空頂面積增大、支護(hù)困難;當(dāng)出現(xiàn)局部漏頂時(shí)，支架前梁和防片幫板無法支撐破碎的頂板，特別是支架防片幫板上方有大塊堅(jiān)硬石頭時(shí)，無法將石頭挑起，采煤機(jī)無法通過，放石頭時(shí)造成更大的冒頂。當(dāng)發(fā)生冒頂時(shí)，支架呈射箭狀態(tài)，頂梁受力發(fā)生嚴(yán)重變化，垂直分力大大減小，無法支撐頂板。冒頂嚴(yán)重時(shí)，必須采取人工打單體液壓支柱支護(hù)頂板，打眼放炮推進(jìn)工作面，效率低、危險(xiǎn)程度高，嚴(yán)重制約了原煤生產(chǎn)。

2.2 液壓支架立柱的選型比較

從ZZ5200液壓支架開始，該礦使用的液壓支架立柱均為雙伸縮立柱。雙伸縮立柱在設(shè)計(jì)和選型時(shí)大都是根據(jù)下活柱的負(fù)載確定支架的初撐力。在乳化泵站壓力恒定時(shí)，上活柱的支撐力只有下活柱的58%～64%，液壓支架在撐緊頂板時(shí)都是處于上活柱伸出狀態(tài)，該立柱對(duì)支架的支撐力只能達(dá)到支架額定初撐力的58%～64%，綜采工作面往往由于支架初撐力過小造成頂板過早離層和下沉。當(dāng)頂板來壓液壓支架達(dá)到工作阻力時(shí)，立柱下活柱腔的乳化液所受的壓力最高可達(dá)43 MPa，上活柱腔的壓力可能超過70 MPa，尤其是支架受到?jīng)_擊地壓時(shí)，上活柱腔的瞬間壓力會(huì)更高，導(dǎo)致上活柱缸體在高壓下膨脹變形、直徑加粗。若在此時(shí)降柱，會(huì)使立柱與導(dǎo)向套之間摩擦增大，輕則導(dǎo)向套塑料襯環(huán)表面被磨壞，重則導(dǎo)向套與立柱咬死。據(jù)了解該礦的立柱很少有缸體膨脹變形，說明立柱的上活柱腔的壓力最高即43 MPa，其工作阻力只有額定工作阻力的58%～64%。因此，雖然該礦使用工作阻力為6 000 kN、8 000 kN的支架，但初撐力不一定比工作阻力4 000 kN的支架大。

2.3 液壓支架的底座前端比壓比較

該礦使用的掩護(hù)式液壓支架的底座前端比壓較大，經(jīng)常出現(xiàn)底座前部扎底的情況，不適應(yīng)較軟的底板。而四柱支撐掩護(hù)式支架底座前端比壓相對(duì)較小，底座前部不易扎底。不論是兩柱還是四柱支架，若要更好地適應(yīng)軟底板，除合理地計(jì)算、優(yōu)化底板比壓外，還可以在底座前部增加抬底裝置。該礦使用的ZY6000、ZY8000支架都有底座抬高裝置。需要強(qiáng)調(diào)的是增加抬底裝置是為了移架方便，而不是增加工作阻力，支架經(jīng)常扎底會(huì)降低初撐力和工作阻力。

2.4 與高產(chǎn)高效隊(duì)組從產(chǎn)量上比較

該礦8#煤層雖然是厚煤層，但由于種種原因一直達(dá)不到高產(chǎn)高效，根據(jù)2008—2013年的使用情況看，平均年產(chǎn)量為131萬t，平均月產(chǎn)量為10.9萬t，最高年產(chǎn)量為2008年的157萬t，最高月產(chǎn)量為2013年8月的170 845 t，最高日產(chǎn)沒有超過8 000 t，不能和高產(chǎn)高效礦井日產(chǎn)2～3萬的情況相比。同時(shí)該礦8#煤無炭柱、斷層太多，幾乎月月存在各種構(gòu)造影響生產(chǎn)，對(duì)支架的支護(hù)強(qiáng)度提出新的要求，尤其是支架上方有大塊石頭無法挑起時(shí)，采煤機(jī)無法通過，只好將大石頭放下來，從而造成更大的冒頂。

2.5 液壓支架初撐力對(duì)煤壁影響的比較

通常工作面頂板壓力煤壁和液壓支架共同承擔(dān)煤層的頂板壓力，當(dāng)液壓支架的支撐力不足時(shí)，液壓支架對(duì)頂板的支撐作用，且頂板壓力會(huì)逐漸向煤壁轉(zhuǎn)移，隨煤壁壓力增大，煤壁容易被壓酥，發(fā)生片幫。尤其是工作面推進(jìn)速度不快時(shí)，煤壁的片幫更加明顯。

2.6 液壓支架的頂梁長(zhǎng)度比較

支撐掩護(hù)式支架的頂梁比掩護(hù)式支架長(zhǎng)1～1.6 m，再加上多出2根立柱，有利于降低工作面的風(fēng)速，對(duì)該礦高瓦斯工作面的瓦斯排放非常有利。

2.7 液壓支架的頂梁有無伸縮梁比較

該礦使用的支架沒有采用伸縮頂梁結(jié)構(gòu)，受礦壓影響，不能對(duì)梁端距增大的頂板做到主動(dòng)、超前支護(hù)，造成支架防片幫板處經(jīng)常發(fā)生漏矸、冒頂。

3 結(jié)束語

綜上所述，該礦使用的掩護(hù)式液壓支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于電液控制，相反，其推進(jìn)較慢，很難適應(yīng)該礦地質(zhì)條件復(fù)雜、經(jīng)常過構(gòu)造的地質(zhì)條件。綜合考慮應(yīng)該選擇大采高、大初撐力的支撐掩護(hù)式支架。

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