那精煤礦大采高大傾角液壓支架選型設(shè)計(jì)

李昭榮

【摘 要】針對(duì)廣西百色百礦集團(tuán)有限公司都安縣那精煤礦大傾角煤層賦存情況，文章通過(guò)對(duì)大傾角煤層賦存條件的適應(yīng)性分析，對(duì)大傾角綜采工作面液壓支架的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，并對(duì)液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行了理論計(jì)算，確定了支架的主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)類(lèi)型，確定了大傾角液壓支架的防倒、防滑及安全防護(hù)措施，為國(guó)內(nèi)類(lèi)似煤層條件下的液壓支架選型設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】液壓支架；選型設(shè)計(jì)；支護(hù)強(qiáng)度

【中圖分類(lèi)號(hào)】TD823 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）09-0050-04

0 引言

隨著煤礦開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，35°以下傾角的薄煤層及中厚煤層綜采技術(shù)已經(jīng)得到長(zhǎng)足的發(fā)展，并不斷創(chuàng)出新的高產(chǎn)高效記錄。而對(duì)于大傾角（35°～45°）的厚煤層如何實(shí)現(xiàn)安全、高效地開(kāi)采一直是困擾許多礦區(qū)發(fā)展的技術(shù)難題。

工作面支護(hù)是大傾角厚煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采的最大難題，液壓支架是實(shí)現(xiàn)大傾角厚煤層綜采的關(guān)鍵設(shè)備。其難點(diǎn)表現(xiàn)在以下方面：支架處于自然失穩(wěn)狀態(tài)、極易傾倒下滑、頂?shù)装咫y以控制、移架困難、支架外載復(fù)雜、工況惡劣、安全性與可靠性難以保障。因此，其可靠性和適應(yīng)性是決定綜采工作面能否實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。工作人員需要根據(jù)工作面地質(zhì)條件、礦山壓力、煤層賦存情況及通風(fēng)、安全要求，確定液壓支架的架型、支護(hù)強(qiáng)度、工作阻力等重要參數(shù)和防倒防滑等安全措施。

1 那精煤礦101工作面概況

都安縣那精煤礦101首采工作面位于三煤層，傾角為14°～30°，平均為24°，煤層全長(zhǎng)約6 km，傾向斜深約1 300 m，煤層純厚度為1.40～5.10 m，平均厚為3.1 m。最大埋深為478 m。工作面頂板為灰黑色燧石灰?guī)r或炭質(zhì)灰，硬度>8。底板為白色燧石灰?guī)r，內(nèi)夾石灰?guī)r硬度>8。

三煤層呈層狀產(chǎn)出，煤層中夾矸量較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般為0～5層，局部可達(dá)8層，夾矸呈層狀，其單層厚度以0～20 cm居多；局部厚度達(dá)1 m左右，夾矸主要為炭質(zhì)頁(yè)巖，局部為薄層燧石層和炭質(zhì)灰?guī)r。目前揭露的煤層，夾矸為0～80 cm，硬度>8。

該礦井煤塵無(wú)爆炸危險(xiǎn)性，煤炭自燃傾向性為三類(lèi)：不易自燃。

2 液壓支架與煤層賦存條件適應(yīng)性分析

2.1 支架對(duì)頂板支護(hù)的適應(yīng)性

101工作面頂板為隧石灰?guī)r或石灰?guī)r，頂板巖性較好，屬中等穩(wěn)定頂板，在掘進(jìn)過(guò)程中，頂板穩(wěn)定性較好，不易冒落，在回采中需要注意頂板周期來(lái)壓情況。三煤層屬于中硬煤，煤質(zhì)的硬度適中，在井下掘進(jìn)過(guò)程中，有片幫現(xiàn)象存在，因此支架需要設(shè)置伸縮梁加護(hù)幫板結(jié)構(gòu)。

2.2 煤層傾角大，屬于大傾角煤層

礦井內(nèi)所有煤層均屬于大傾角煤層，綜采設(shè)備在使用中需要注意自然下滑和傾倒的現(xiàn)象，所有設(shè)備都需要設(shè)置防倒防滑裝置。對(duì)大傾角綜采工作面，支架的防倒防滑是極為重要的，將采取包括工作面基本架防倒防滑、排頭支架防倒防滑、排尾支架防倒防滑等有效措施，確保支架不倒不滑。

2.3 刮板輸送機(jī)、支架對(duì)底板的適應(yīng)性

直接底為燧石灰?guī)r，屬中硬底板，有較強(qiáng)的抗壓能力，預(yù)計(jì)支架使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生扎底現(xiàn)象，但支架采高較大，為加快推移速度，并避免扎底現(xiàn)象，需設(shè)置抬底機(jī)構(gòu)。但與廣西百色百礦集團(tuán)有限公司各煤礦現(xiàn)有使用習(xí)慣不同，需要改變工人的操作習(xí)慣。

3 液壓支架結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 液壓支架架型選擇

液壓支架架型的選擇直接關(guān)系綜采工作面成套設(shè)備的有效發(fā)揮和可靠性。國(guó)內(nèi)大采高液壓支架主要有2種架型：①四柱支撐掩護(hù)式支架：四柱直立支撐，支護(hù)效率高；控頂空間大，構(gòu)件較長(zhǎng)，支架調(diào)高范圍略小，重量較重；適應(yīng)于穩(wěn)定以上頂板。②雙柱掩護(hù)式支架：兩柱斜撐，調(diào)高范圍大；支撐合力靠前，適應(yīng)穩(wěn)定以下頂板；平衡千斤頂有適應(yīng)頂板壓力變化、改變合力作用點(diǎn)的功能；結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊、簡(jiǎn)單；重量和費(fèi)用比支撐掩護(hù)支架少15%～20%。

根據(jù)那精煤礦的煤層頂板屬穩(wěn)定頂板、周期來(lái)壓較明顯的老頂條件，選擇雙柱掩護(hù)式液壓支架。

3.2 液壓支架高度確定

為適應(yīng)煤層厚度變化，保證支架發(fā)揮正常支護(hù)作用，按煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《液壓支架設(shè)計(jì)規(guī)范》（MT/T556—1996）

的規(guī)定選取支架的最大結(jié)構(gòu)高度。

選取本型液壓支架結(jié)構(gòu)高度為1.8～4.1 m，支架調(diào)高范圍較大，適應(yīng)煤層厚度的變化，以便提高煤炭的回收率，并減少割頂、底板巖石的量，減少煤炭的含矸量。

3.3 液壓支架合理工作阻力的確定

3.3.1 確定液壓支架合理支護(hù)強(qiáng)度的原則

（1）能夠?qū)ぷ髅鎳鷰r進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)綜采工作面的安全生產(chǎn)。

（2）在一定的時(shí)間內(nèi)，能夠維護(hù)工作面支架與圍巖關(guān)系的相對(duì)穩(wěn)定，保證綜采工作面頂板在初次來(lái)壓和周期來(lái)壓時(shí)，液壓支架立柱有一定的下縮量。

（3）能夠保證支架對(duì)頂板有一定的“初撐力”，避免煤壁不因超前壓力顯現(xiàn)出現(xiàn)片幫、冒頂?shù)默F(xiàn)象。

3.3.2 用頂板分類(lèi)法確定支護(hù)強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)同類(lèi)綜采工作面頂板資料進(jìn)行分類(lèi)和比較，可知三煤層直接頂屬于3類(lèi)穩(wěn)定頂板，基本頂為Ⅲ級(jí)頂板，屬來(lái)壓強(qiáng)烈頂板，其初次來(lái)壓最大步距為63.5 m，周期來(lái)壓最大步距為26 m。

根據(jù)《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類(lèi)》標(biāo)準(zhǔn)中基本頂為Ⅲ級(jí)頂板，必需的支護(hù)強(qiáng)度按公式（1）計(jì)算。

額定支護(hù)強(qiáng)度下限值計(jì)算公式：

Ps=72.3hm+4.5Lp+78.9Bc-10.24N-62.1（1）

式中，Ps為額定支護(hù)強(qiáng)度下限，kN/m2；hm為采高，m；Lp為基本頂周期來(lái)壓步距（結(jié)合理論分析和實(shí)際觀測(cè)，取25 m），m；Bc為控頂寬度（其值為梁端距加上頂梁長(zhǎng)度），m；N為直接頂充填系數(shù)，N=hi/hm ；hi為直接頂厚度，m。根據(jù)煤層賦存條件，將各參數(shù)代入式（1）如下：

Ps=72.3hm+4.5Lp+78.9Bc-10.24N-62.1=72.3×3.9+4.5×25+78.9×4.2-10.24（7.23/3.9）-62.1=644 kN/m2

3.3.3 支護(hù)強(qiáng)度的選擇與確定

根據(jù)以上分析，為保證有一定的支護(hù)強(qiáng)度，考慮設(shè)備適用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)合理性等因素，綜合確定三煤層101工作面液壓支架最小支護(hù)強(qiáng)度為0.644 Pa。

3.3.4 液壓支架工作阻力的選擇與確定

工作面液壓支架工作阻力的確定，是液壓支架主要參數(shù)選擇重點(diǎn)之一，其目的是使工作面巖層控制在達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的前提下，保證支架工作的高可靠性和較高的適應(yīng)性?？紤]101工作面頂板完整性較好，不易冒落，因此備用系數(shù)按最高選取。

根據(jù)式（1）確定的支護(hù)強(qiáng)度，工作阻力的確定如式（2）所示。

F=Ks·Ps（Sc·Bc）/η（2）

式中，F(xiàn)為液壓支架工作阻力，kN；Ks為安全系數(shù)；Ps為額定支護(hù)強(qiáng)度下限，kN/m2；Sc為液壓支架中心距，m；Bc為控頂寬度（其值為梁端距加上頂梁長(zhǎng)度），m；η為液壓支架的支撐效率。

將各項(xiàng)參數(shù)代入式（2）如下：

F=Ks·Ps（Sc·Bc）/η=1.2×644×1.5×4.2÷0.95=5 124 kN

根據(jù)以上計(jì)算，支架的最低工作阻力為5 124 kN。考慮在1.5 m中心距條件下，需選用缸徑為280 mm的立柱，為充分發(fā)揮立柱的效能，保證液壓支架有更高的可靠性，安全閥的開(kāi)啟壓力設(shè)定為42.2 MPa，即液壓支架的工作阻力確定為5 200 kN。

3.4 ZY5200/18/41型液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)以上分析，確定三煤層101工作面支架型號(hào)為ZY5200/18/41型液壓支架。該液壓支架主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

3.5 支架的特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)措施

（1）頂梁為整體式，有如下優(yōu)點(diǎn)：①頂梁前端上翹，縮短了第一接頂點(diǎn)到煤壁的距離，有利于頂板礦壓的控制，減少片幫的發(fā)生；②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，支架前部承載能力大，可以有效地控制頂板，減緩支架上方頂板壓力向煤壁方向轉(zhuǎn)移，從而減小片幫。

（2）液壓支架設(shè)置伸縮梁結(jié)構(gòu)，采煤機(jī)割煤后及時(shí)護(hù)住頂板，可以盡最大可能地減少偽頂?shù)拿奥淞俊?/p>

（3）通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)構(gòu)緊湊，盡量壓縮支架的縱向斷面，同時(shí)采用高強(qiáng)度鋼板，有效地減輕了支架重量。

（4）為防止支架運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)“高射炮”現(xiàn)象或出現(xiàn)“高射炮”現(xiàn)象而損壞平衡千斤頂，本設(shè)計(jì)采取了如下技術(shù)措施：①加大平衡千斤頂?shù)耐?、拉力，現(xiàn)選用2根Ф140/Ф85 mm千斤頂，能較好地調(diào)節(jié)頂梁受力作用點(diǎn)的位置，適應(yīng)性強(qiáng)。②頂梁與掩護(hù)梁之間設(shè)有剛性限位裝置，防止千斤頂被拉壞。

4 大傾角綜采液壓支架防倒、防滑措施

當(dāng)支架支撐在頂?shù)装逯g，支架是不存在下滑問(wèn)題的。支架出現(xiàn)倒架，大多是支架上方冒空，頂板局部失去完整性，上部頂板有向下移動(dòng)空間，當(dāng)頂板垮落時(shí)，這個(gè)倒向力的顯現(xiàn)使支架傾倒。

4.1 支架防倒技術(shù)研究

如果支架的重心鉛直線在支架底座內(nèi)，支架是不會(huì)傾倒的，如果鉛直線在底座外部，支架就會(huì)傾倒。根據(jù)101工作面所選液壓支架中心距及采高，支架在傾角大于20°的工作面會(huì)出現(xiàn)傾倒。支架要加防倒裝置，其主要措施如下。

（1）保證支架頂梁間沒(méi)有間隙，使它沒(méi)有傾倒的空間；支架側(cè)護(hù)板千斤頂、側(cè)推彈簧使支架頂梁相互靠緊，始終保持有足夠的扶正力，防止倒架。

（2）在鄰架頂梁間增設(shè)調(diào)架千斤頂，當(dāng)支架出現(xiàn)傾倒時(shí)，以支撐頂板的相鄰支架作支點(diǎn)，用千斤頂調(diào)整該支架位置（如圖2所示）。

4.2 支架防滑技術(shù)研究

支架在前移過(guò)程中是否會(huì)下滑，關(guān)鍵是支架下滑力與支架摩擦力相互作用的結(jié)果。如果下滑力大于摩擦力，則支架下滑；反之，則不下滑。減少支架下滑有如下措施。

（1）將工作面布置為偽斜，減小工作面實(shí)際傾角。

（2）防止支架下滑的另一技術(shù)措施是推移桿全程導(dǎo)向，推移桿和底座間隙控制在15～20 mm（單側(cè)）。推移桿在任意位置，推移桿和底座間間隙不變，控制運(yùn)輸機(jī)下滑。

（3）影響支架下滑的另一個(gè)重要因素是刮板運(yùn)輸機(jī)是否下滑，由于支架推移桿是和刮板運(yùn)輸機(jī)連在一起的，因此刮板運(yùn)輸機(jī)和支架連接的耳子控制支架位置。刮板運(yùn)輸機(jī)下滑必然帶動(dòng)支架下滑，同樣刮板運(yùn)輸機(jī)上竄也帶動(dòng)支架上竄。因此，在綜采工作面控制刮板運(yùn)輸機(jī)的位置也基本控制了支架的位置。

（4）相鄰支架底座之間設(shè)置防滑千斤頂，以有初撐力的支架為支點(diǎn)，可以調(diào)整相鄰支架的位置（如圖3所示）。

（5）將刮板運(yùn)輸機(jī)和支架間設(shè)置防刮板運(yùn)輸機(jī)下滑裝置，每隔5架1組，推移刮板運(yùn)輸機(jī)時(shí)，通過(guò)控制防滑千斤頂動(dòng)作，牽動(dòng)刮板運(yùn)輸機(jī)上移（如圖4所示）。

5 結(jié)論

針對(duì)廣西百色百礦集團(tuán)有限公司那精煤礦101工作面煤層賦存情況，本文通過(guò)對(duì)液壓支架與煤層賦存條件的適應(yīng)性分析，對(duì)大傾角綜采工作面液壓支架進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的ZY5200/18/41兩柱掩護(hù)式液壓支架通過(guò)在101工作面生產(chǎn)，取得了良好的使用效果。該液壓支架具有節(jié)約成本、工藝簡(jiǎn)單、安全高效等優(yōu)點(diǎn)。說(shuō)明該支架方案選型101綜采工作面的地質(zhì)條件，并滿足了那精煤礦的使用要求。該架型在貴州安順市六枝特區(qū)六龍煤礦大傾角厚煤層綜采工作面中也得到較好的應(yīng)用，為國(guó)內(nèi)類(lèi)似煤層條件下的液壓支架選型設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王國(guó)法.液壓支架技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1999.

[2]王國(guó)法.高效綜合機(jī)械化采煤成套裝備技術(shù)[M].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[3]李明忠.堅(jiān)硬頂板條件下綜采面設(shè)備選型及液壓支架設(shè)計(jì)[J].煤礦開(kāi)采，2010（4）.

[4]李明忠，李雪偉，胡萬(wàn)昌.極軟厚煤層“抱采”放頂煤采煤法與液壓支架設(shè)計(jì)研究[J].煤礦開(kāi)采，2013（6）.

[5]MT 554—1996，緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類(lèi)[S].

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]