大采高液壓支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及適應(yīng)性分析

劉 樂

（山西中招招標(biāo)代理有限公司，山西 太原 030053）

引言

厚和特厚型煤層在我國屬于高效高產(chǎn)煤礦的主采煤層，無論是煤炭儲(chǔ)量還是年產(chǎn)量占比均超總量的45%，同時(shí)具備穩(wěn)定的賦存、堅(jiān)硬的煤質(zhì)、較淺的埋深等優(yōu)勢，特別適合進(jìn)行大采高采煤綜合性機(jī)械化作業(yè)。在采煤機(jī)進(jìn)行割煤作業(yè)的高度有所增加的情況下，而冒落頂板的巖層沒有填充完全，作業(yè)面承受的壓力開始明顯增加，容易引起頂板發(fā)生冒頂?shù)仁鹿省Ｍㄟ^對(duì)破壞覆巖的結(jié)構(gòu)特征、礦山的壓力、失穩(wěn)性機(jī)理等方面的研究，有力促進(jìn)了控制圍巖的穩(wěn)定性技術(shù)的升級(jí)發(fā)展，只是沒能將液壓式支架的設(shè)計(jì)優(yōu)化同理論研究有效結(jié)合，影響控制圍巖的裝備研發(fā)。本文針對(duì)某煤礦大采高為7.0 m的開采高度，進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的分析研究。

1 大采高作業(yè)面所覆蓋的巖層斷裂構(gòu)成

按照某煤礦對(duì)其煤層進(jìn)行劃分的基本要求，當(dāng)機(jī)采工作面的高度達(dá)到3.5 m 以上可稱之為大采高采煤工作面。近些年，在對(duì)高于6.0 m 大采高的工作面做了大量分析統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，其工作面出現(xiàn)覆巖的破斷性結(jié)構(gòu)、礦山的壓力、圍巖與支架互相作用的關(guān)系等方面同其他工作面存在顯著差異，因?yàn)樵黾訖C(jī)采高度，在采煤機(jī)截煤后頂板破碎沒有得到及時(shí)填充，造成工作面礦壓動(dòng)載有明顯的顯現(xiàn)，增加了頂板的控制困難，同時(shí)，增加工作面采煤壁的高度，降低了煤壁自穩(wěn)性，使其承載力有所降低，容易使煤壁發(fā)生片幫或冒頂性風(fēng)險(xiǎn)[1]。

該煤礦最大的采高作業(yè)面是7.0 m，根據(jù)5-2 煤層所處的實(shí)際條件，選擇UDEC 系統(tǒng)對(duì)5-2 開采煤層進(jìn)行研究，作業(yè)導(dǎo)致覆蓋巖層出現(xiàn)斷裂的具體情況見圖1。

圖1 頂板的斷裂形式

根據(jù)對(duì)該礦大采高工作面的頂板斷裂巖層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析結(jié)果可知：因?yàn)椴擅汗ぷ髅骈_采最大的高度在7.0 m 時(shí)，開采煤層作業(yè)對(duì)其上覆的巖層采動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大范圍的影響，即使基巖層較厚，其承載架構(gòu)仍可形成。在5-2 采煤層的上部平均6.7 m的砂巖粉砂破碎后未能完全填補(bǔ)采空區(qū)，在砂巖碎石上面，平均處在13.6 m的細(xì)粒巖中，有部分呈現(xiàn)“懸臂”狀況，同時(shí)與粉砂+、巖相結(jié)合，形成了承載架構(gòu)“砌體梁”。實(shí)踐驗(yàn)證，大采高的基巖層厚度越高，其頂板巖開采層在斷裂之后，越是容易出現(xiàn)“砌體梁+懸臂梁”的承載架構(gòu)[2]。因?yàn)榇蟛筛咦鳂I(yè)面的頂板遭到破壞會(huì)影響采空的充填效果，亞關(guān)鍵1 層和2 層都產(chǎn)生有規(guī)律斷裂，礦山作業(yè)面承受大小式的規(guī)律性施壓，以致暴露出礦山遭受到的壓力具有動(dòng)載性特征，頂板出現(xiàn)“砌體梁”和“懸臂梁”，同時(shí)斷破是工作面最嚴(yán)重險(xiǎn)情，會(huì)給液壓式支架造成強(qiáng)烈的動(dòng)載沖擊。

2 液壓保護(hù)支架及圍巖相關(guān)動(dòng)力學(xué)研究

因?yàn)榇蟛筛卟擅鹤鳂I(yè)面承受的壓力表現(xiàn)出顯著動(dòng)載性特點(diǎn)，選擇比較原始的靜力學(xué)形式研究難以得出頂板的來壓載荷沖擊數(shù)據(jù)，故此，根據(jù)其頂板的巖層結(jié)構(gòu)，搭建圍巖及液壓式支架的動(dòng)力學(xué)簡化模型。以圍巖及液壓式支架具備剛度的特征，用彈性滑移體代替液壓式支架，用損壞破碎體代替直接頂板，因?yàn)閬嗞P(guān)鍵1 層發(fā)生破斷仍呈大塊狀，可用較強(qiáng)剛度彈性體代替，亞關(guān)鍵1 層上部隨動(dòng)的巖層用損壞的破碎體代替，亞關(guān)鍵2 層可用剛體替代，用損壞的破碎體替代底板的巖層，采空區(qū)矸石以可壓縮破碎體替代。

3 大采高礦用液壓保護(hù)支架的設(shè)計(jì)改造

要想有效提高大采高為7.0 m 支架具備的動(dòng)載荷承受力，需選用抗沖擊雙伸縮高性能的液壓保護(hù)支柱，該支柱設(shè)計(jì)缸口選擇矩形加強(qiáng)型的螺紋進(jìn)行連接，選擇三導(dǎo)式的向環(huán)分布、獨(dú)特的焊縫缸底，增加含入段長度和整體的封密溝槽及封密圈等，使立柱的可靠性和沖擊性得到有效提高[3]。四連桿固定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選擇雙前式作用連桿和雙后式作用連桿，可使支架的安全性和可靠性得到有效提高。液壓保護(hù)支架頂梁的前部的設(shè)計(jì)選擇6 根縱筋，以達(dá)到提高頂梁承壓力的設(shè)計(jì)目的，頂梁與其底座選擇“并”形的箱體構(gòu)造和U 形兩層板進(jìn)行固定，使其支架承受壓力的關(guān)鍵點(diǎn)達(dá)到焊接及強(qiáng)度要求，如圖2所示。

圖2 抗沖擊載荷關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要想有效提高大采高的液壓式支架的支護(hù)能力，就要避免由于初撐作用差導(dǎo)致底座陷進(jìn)底板等問題造成頂板剝離，以及進(jìn)一步增加作業(yè)面承受動(dòng)載荷作用壓力。因此，提出選擇高壓單獨(dú)升柱控制軟件。該支柱在下腔時(shí)，壓力小于控制閥額定壓力（25～35 MPa），則控制高壓閥開啟，由控制系統(tǒng)向立柱的下腔自動(dòng)補(bǔ)液加壓，壓力為25～37.5 MPa，同時(shí)根據(jù)具體情況對(duì)支架的高度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)[4]。

4 大采高的液壓保護(hù)支架相關(guān)適應(yīng)性研究分析

該煤礦15207 采煤作業(yè)面的高度是350 m。選擇ZY17000/32/70D型的174 架掩護(hù)型雙柱防護(hù)支架，選擇KJ216A 類的頂板監(jiān)控測試軟件，配置22個(gè)礦壓監(jiān)測分站，對(duì)所得來壓周期強(qiáng)度、步距等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行如下分析：

該工作面平均支護(hù)阻力是34.9 MPa，最大可達(dá)49.3 MPa，因其受到來自東部作業(yè)面采空區(qū)作業(yè)影響，礦壓在工作面6 號(hào)監(jiān)測站明顯加劇，同時(shí)表現(xiàn)出周期大小明顯的來壓，其強(qiáng)度比中、下部監(jiān)測站表現(xiàn)明顯[5]。中部強(qiáng)度比下部高，同時(shí)表現(xiàn)出一定大小的周期性，來壓規(guī)律周期不明顯。其工作面來壓周期步距是7.8～28 m，平均16.1 m，表現(xiàn)為波浪狀的特征。

工作面在沒有來壓時(shí)的礦壓比較低，在來壓后較大，同時(shí)表現(xiàn)出一定的沖擊動(dòng)載性特征，大采高ZY17000/32/70D型的液壓式支架關(guān)鍵部位和主體性結(jié)構(gòu)都沒有出現(xiàn)破裂，其支架所承受的阻力及其強(qiáng)度都符合標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)頂板具有非常不錯(cuò)的承受力[6]。作業(yè)面開采產(chǎn)生的片幫量較小，其深度低于800 mm，大部分在300～400 mm 之間，伸縮梁和護(hù)幫板分體的護(hù)幫式結(jié)構(gòu)能夠?qū)γ罕谄鸬捷^好的控制保護(hù)效果，抗損壞性較好，對(duì)煤壁保護(hù)具有較好的可靠性和防護(hù)性。

5 結(jié)論

1）根據(jù)大采高7.0 m 工作面的頂板“砌體梁+懸臂梁”結(jié)構(gòu)和煤層同防護(hù)架形成剛性特征，構(gòu)建大采高防護(hù)支架及其圍巖組建動(dòng)力學(xué)仿真模型，把“砌體梁”頂端巖層作為模型邊界限定條件，把液壓式支架立柱的動(dòng)載抗擊性作為模型構(gòu)建的理論基礎(chǔ)。

2）掩護(hù)型防護(hù)支架具備較強(qiáng)的保護(hù)能力、四連桿固定結(jié)構(gòu)受力均勻，好于掩護(hù)型的保護(hù)支架，同時(shí)保持了重量輕和強(qiáng)度高等優(yōu)勢特點(diǎn)。

3）大采高保護(hù)支架能夠起到護(hù)幫作用，伸縮式頂梁及護(hù)幫式頂板分離架構(gòu)不但能夠幫助護(hù)板發(fā)揮支護(hù)的作用，還能夠通過伸縮梁施加給煤壁較大作用力，其護(hù)幫力、可靠性及其作用位置的合理性都優(yōu)于連體式結(jié)構(gòu)。

4）在該煤礦的兩柱ZY17000/70D型掩護(hù)式的大采高防護(hù)支架的設(shè)計(jì)中，選擇雙伸縮防護(hù)支柱、自動(dòng)供回液閥、高壓的升柱控制系統(tǒng)，使大采高作業(yè)面的動(dòng)載抗擊性、煤壁可靠性能及液壓支架的適應(yīng)性得到有效提高。