薄煤層充填工作面液壓支架選型研究

趙志紅

（山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司， 山西 晉城 048027）

引言

液壓支架作為一種維護(hù)工作面作業(yè)空間的結(jié)構(gòu)體，對綜采工作面安全生產(chǎn)具有十分重要的意義[1-2]，其工作阻力、結(jié)構(gòu)型式、控制方式及與采煤機(jī)和刮板機(jī)的配套情況對應(yīng)用效果具有一定的影響[3-4]。近年來隨著煤炭資源的逐漸減少，許多礦井開始嘗試使用充填開采，本文針對莒山礦9 號煤層實(shí)際充填開采地質(zhì)條件，對工作面充填支架進(jìn)行了研究。

1 開采地質(zhì)條件

莒山礦9 號煤層位于太原組第三段下部區(qū)域，煤層厚度為0.95～1.62 m，平均厚度為1.3 m，煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖，底板以泥巖為主，部分區(qū)域?yàn)樯百|(zhì)泥巖，該煤層為礦井范圍內(nèi)穩(wěn)定煤層，全區(qū)域可采。

2 支架主要參數(shù)分析

2.1 支護(hù)高度確定

一般來說，支架支護(hù)高度與所采煤層息息相關(guān)，支護(hù)高度范圍應(yīng)可以覆蓋煤層高度范圍，即最大支護(hù)高度應(yīng)大于煤層最大高度0.2 m 以上，且最小支護(hù)高度應(yīng)低于煤層最小厚度0.2 m 以上。

9 號煤層最大高度為1.6 m，為保證9 號煤層全部開采及支架與采煤機(jī)的空間匹配關(guān)系，支架最大高度不低于1.8 m，考慮后期支架設(shè)計(jì)情況，確定支架最大高度為1.9 m。基于充填開采對支架空間結(jié)構(gòu)的要求，支架最小高度確定為1.1 m。

2.2 架型的確定

目前綜采工作面支架型式主要由兩柱式和四柱式兩大類，兩柱掩護(hù)式支架頂梁較小，對工作面頂板適應(yīng)性強(qiáng)，控制系統(tǒng)相對簡單，因此廣泛用于一次采全高的綜采工作面；四柱式支架主要頂梁較長，對堅(jiān)硬頂板具有良好的適應(yīng)性，同時由于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強(qiáng)，廣泛用于放頂煤工作面。莒山礦9 號煤層采用綜采泵送膏體充填技術(shù)，要求架前開采與架后充填同時進(jìn)行，根據(jù)實(shí)際工藝要求，支架結(jié)構(gòu)型式確定為特殊的四柱支撐式結(jié)構(gòu)。

2.3 支護(hù)強(qiáng)度分析

支架支護(hù)強(qiáng)度可按下式計(jì)算：

式中：P 為支架支護(hù)強(qiáng)度，MPa；K2為采動影響系數(shù)，根據(jù)以往礦壓監(jiān)測，取2；γ 為工作面上覆巖層容重，取25 kN/m3；k 巖石碎脹系數(shù)，考慮薄煤層上部煤層已采，上覆巖層已受擾動且趨于穩(wěn)定，k 取1.21；H 為支護(hù)高度，取煤層最大采高，1.6 m；K1為安全系數(shù)，由于莒山礦9 號煤層開采時上覆3 號煤層已采空，頂板巖層受采動影響，工作面進(jìn)出上覆3 號煤層遺留煤柱時覆巖應(yīng)力增大，要求支架具有較大支撐應(yīng)力，這里取安全系數(shù)K1=1.2。

將各參數(shù)代入，得支架支護(hù)強(qiáng)度P=0.46 MPa。

3 支架設(shè)計(jì)

3.1 主要技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)上述分析，9 號煤層工作面液壓支架支護(hù)強(qiáng)度不低于0.46 MPa，考慮到安全閥開啟性能、3 號已采煤層上覆垮落巖層重復(fù)采動及工作面進(jìn)出3 號煤層殘留煤柱時集中應(yīng)力影響等因素，結(jié)合9 號煤層充填開采技術(shù)方案及支架布置情況綜合分析，充填工作面支架型號為ZC6400/11/19D 型（見下頁圖1），其主要技術(shù)參數(shù)如下：支架型式為四柱支撐式；支撐高度為1 100～1 900 mm；支架寬度為1 430～1 600 mm；支架中心距為1 500 mm；平均支護(hù)強(qiáng)度約0.5 MPa；平均底板比壓約1.7 MPa；工作阻力為6 400 kN（P=38.5 MPa）；初撐力為 5 232 kN（P=31.5MPa）；操作方式為電液控制；泵站壓力為31.5 MPa；移架步距為800 mm。

圖1 ZC6400/11/19D 型液壓支架

支架主要結(jié)構(gòu)特征如下：

1）支架前部主體采用四柱支撐掩護(hù)式結(jié)構(gòu)，以確保支架的穩(wěn)定性。

2）支架采用整體頂梁，頂梁后部鉸接前梁機(jī)構(gòu)，有利于維護(hù)正常的充填作業(yè)空間。

3）支架采用四連桿穩(wěn)定結(jié)構(gòu)型式，便于在正常采高范圍內(nèi)前部采煤作業(yè)區(qū)與后部充填作業(yè)區(qū)的相鄰支架間行人。

4）支架前、后頂梁設(shè)計(jì)雙側(cè)活動側(cè)護(hù)板，使用時，一側(cè)鎖死，一側(cè)活動，便于架間封矸。

5）支架底座設(shè)置推移機(jī)構(gòu)，方便移架。

6）支架底座前端采用“船”型結(jié)構(gòu)，防止推移鉆底，并適應(yīng)底板起伏。

7）支架底座前端設(shè)計(jì)抬底座機(jī)構(gòu)，支架前端扎底或有浮煤時，可將底座前端抬起，便于支架前移。

8）支架底座設(shè)置擋板結(jié)構(gòu)，用于對充填袋的擋護(hù)（具體結(jié)構(gòu)需結(jié)合充填工藝設(shè)計(jì)）。

3.2 支架電液控制系統(tǒng)分析

液壓支架電液控制系統(tǒng)，包含電液控?fù)Q向閥、礦用本安型支架控制器、礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源、礦用本安型電磁閥驅(qū)動器、礦用本安型隔離耦合器、礦用本安型電源適配器、礦用本安型壓力傳感器、礦用本安型行程傳感器、礦用本安型紅外線發(fā)射器、礦用本安型紅外線接收器、礦用本安型遙控發(fā)射器、礦用本安型遙控接收器、順槽監(jiān)控計(jì)算機(jī)、井上下傳輸設(shè)備及連接電纜等[5]。集嵌入式技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、控制技術(shù)和液壓技術(shù)于一體，采用分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)，完成支架的單架手動動作、單架自動動作、成組自動功能和跟機(jī)自動動作，實(shí)現(xiàn)鄰/隔架控制、遠(yuǎn)方控制、單架/成組自動控制，可使工作面的移架推溜速度提高，易于實(shí)現(xiàn)定壓帶壓移架，可降低工人勞動強(qiáng)度，提高工作面輸送機(jī)推移質(zhì)量?？刂葡到y(tǒng)主要技術(shù)特征如下：

1）支架控制器采用彩色液晶屏幕，尺寸3.5 英寸，可顯示接入的傳感器的實(shí)時數(shù)值、本架及系統(tǒng)狀態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)等，顯示菜單語言為中文；同時能以屏幕的不同顏色來直觀指示系統(tǒng)狀態(tài)。

2）支架控制器具備8 路模擬量傳感器輸入接口，可滿足智能化工作面連接多個壓力傳感器、行程傳感器的需求。

支架可實(shí)現(xiàn)成組程序自動控制，包括成組自動移架、成組自動推溜、成組自動噴霧等。

3）支架電液控通過跟機(jī)自動移架、任意截深自動推溜，實(shí)現(xiàn)跟機(jī)自動化自動割煤的功能；該系統(tǒng)必須向綜采自動化控制系統(tǒng)開放自動跟機(jī)起停功能，保證綜采自動化控制系統(tǒng)可在順槽監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對液壓支架自動跟機(jī)功能的遠(yuǎn)程操作，模式切換延時不超過500 ms。

4）支架電液控具備支架初撐力自動連續(xù)補(bǔ)償功能,補(bǔ)償初撐力可調(diào)（不超過泵壓31.5 MPa），并具有帶壓移架功能。當(dāng)立柱下腔壓力降至某一設(shè)定值時，支架控制器會自動執(zhí)行升柱，補(bǔ)壓到初撐壓力，并可執(zhí)行多次，保證支護(hù)質(zhì)量。

5）在控制器界面或者上位機(jī)界面上顯示立柱工作壓力、推移行程、采煤機(jī)位置方向、支架姿態(tài)狀態(tài)。各項(xiàng)顯示菜單、參數(shù)表等全部為中文顯示。重要的常用的單動作和聯(lián)合動作，在面板上定義專用快捷鍵。單架功能分為鄰架、隔架、計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制、遙控器遠(yuǎn)程控制功能。成組功能以工作面的任何一個支架為操作架，向左或向右連續(xù)相鄰的若干個支架為一組，執(zhí)行支架的某一單動作或聯(lián)合動作，成組自動移架、成組自動推溜、成組自動伸、成組自動收、成組自動噴霧。

6）可實(shí)現(xiàn)單臺支架的“降、移、升”自動控制，電液控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件滿足煤礦工作面的實(shí)際情況和采煤工藝具體要求。在井下通過設(shè)置參數(shù)的方法，使電液控制系統(tǒng)完全適合井下的實(shí)際工況、采煤工藝要求和地質(zhì)條件。

7）電液控制系統(tǒng)有聲光報(bào)警、急停、閉鎖及故障自診斷顯示功能。在成組動作或自動程序動作之前，支架控制器的“蜂鳴器”響，警示燈閃爍。緊急情況時，在工作面任何一臺支架的控制器上按下急停開關(guān)，全工作面支架停止動作。

8）電液控制系統(tǒng)配置精確推拉控制組件，采用分步推溜保障推溜、拉架的控制精度，配合慣導(dǎo)系統(tǒng)，保障平直的工作面推進(jìn)曲線。

9）支架控制器和井下主控計(jì)算機(jī)上都具有顯示支架各種工作參數(shù)的功能, 支架控制器和井下主控計(jì)算機(jī)同時具有故障診斷、顯示及報(bào)警功能。

10）依據(jù)采煤工藝，能滿足支架與采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行自動割煤要求，割三角煤時，自動斜切進(jìn)刀，實(shí)現(xiàn)端頭割三角煤自動化。電控系統(tǒng)應(yīng)為非主-從機(jī)型，當(dāng)支架控制系統(tǒng)與井下計(jì)算機(jī)斷開后，通過操作控制器仍能完成控制器所具備的各種操作功能和操作模式設(shè)置。

11）支架根據(jù)采煤機(jī)位置和方向跟隨采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)自動推溜、自動移架、自動輔助采煤機(jī)噴霧的功能。

12）數(shù)據(jù)查詢和存儲功能，具有對支架或控制系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷、顯示、報(bào)警及紀(jì)錄、查詢功能以及存儲的功能。

4 結(jié)語

根據(jù)山西蘭花莒山煤礦9 號煤層工作面實(shí)際條件，對充填工作面支架進(jìn)行了研究，為支架設(shè)計(jì)和采購提供了參考，在后續(xù)應(yīng)用過程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際開采地質(zhì)條件、采用設(shè)備的選型情況、工作面充填工藝及充填體凝固時間等因素綜合考慮，實(shí)現(xiàn)支架與采煤機(jī)及刮板機(jī)的合理配套，以及支架與充填工藝的合理匹配，保障充填工作面得到綠色安全開采。