關(guān)于放頂煤仰采工作面液壓支架設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的探討

王瑞 葉進(jìn) 宋會(huì) 李川

摘 要：本文根據(jù)某礦煤層賦存條件，通過(guò)對(duì)放頂煤仰采工作面常見問(wèn)題進(jìn)行分析，從液壓支架角度提出了解決措施，最終設(shè)計(jì)出ZF10000/22/35D放頂煤液壓支架。這解決了放頂煤仰采工作面液壓支架設(shè)計(jì)難題，為煤礦安全、高效生產(chǎn)提供了保障。

關(guān)鍵字：液壓支架;仰采;放頂煤;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TD355 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2021）27-0060-03

Abstract：According to the coal seam occurrence conditions of a certain mine， this paper analyzes the common problems in upward fully mechanized mining face， and proposes solutions from the perspective of hydraulic support，and finally designs ZF10000 / 22 / 35D top coal caving hydraulic support. This solves the hydraulic support design problems in upward fully mechanized mining face，providing guarantee for safe and efficient production of coal mines.

Keywords： hydraulic support;upward mining;top coal caving;design

放頂煤工作面在仰采工礦下，其受力狀態(tài)與緩傾斜狀態(tài)不同，容易出現(xiàn)支架失穩(wěn)翻轉(zhuǎn)、煤壁片幫、頂板冒落等問(wèn)題，造成人員傷害，給礦井安全開采帶來(lái)極大的隱患。本文以仰采工作面ZF10000/22/35D放頂煤液壓支架設(shè)計(jì)為例，分析液壓支架設(shè)計(jì)過(guò)程中的優(yōu)化方案和解決措施。

1 液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

1.1 地質(zhì)條件

某礦放頂煤工作面可采長(zhǎng)度1 724 m，切眼長(zhǎng)330 m，儲(chǔ)量924萬(wàn)t，平均煤厚12.6 m。仰采角度11°～12°，最大17°。老頂為礫巖，厚度305.4～603.8 m，紅灰色，礫石成分以淺灰色或肉紅色的石英巖、石英砂巖、灰色石英巖為主，次為成巖、安山巖、玄武巖，次圓狀，分選差，礫徑一般5～50 mm，呈孔隙式膠結(jié)。直接頂為泥巖，厚度36.4～37.4 m，灰～深灰色，致密塊狀，性脆。直接底為炭質(zhì)泥巖、含礫砂巖，厚度0～9.8 m，灰黑色，局部含炭量高，夾有煤線。煤層上半部為半亮型塊狀硬質(zhì)煤，煤質(zhì)較好;下半部為半暗型塊狀硬質(zhì)煤，煤質(zhì)較差，煤層厚度和產(chǎn)狀較穩(wěn)定，無(wú)明顯變化，煤層硬度堅(jiān)固系數(shù)為1～1.5。礦井正常涌水量為197 m3/h，最大涌水量為410 m3/h。

1.2 液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

支架形式：四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架（見圖1）

支架型號(hào)：ZF10000/22/35D

支撐高度：2 200—3 500（mm）

支撐寬度：1 430—1 600（mm）

中心距：1 500（mm）

工作阻力：10 000 kN（P=40.6 MPa）

支護(hù)強(qiáng)度：1.15～1.20 MPa

操作方式：電液控制

2 液壓支架設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 仰采支架受力狀況

在緩傾斜工況下，支架的水平載荷是由頂梁相對(duì)底座的水平位移產(chǎn)生的，摩擦力指向支架后方。

仰采時(shí)，支架不僅受到頂板、頂煤的壓力，而且由于支架本身重力作用，有下滑的趨勢(shì)，此時(shí)支架所受頂?shù)装迥Σ亮Ψ较蛳蛏蟍1]。相比較一般緩傾斜支架，仰采支架設(shè)計(jì)時(shí)需要著重關(guān)注以下兩點(diǎn)。

①仰采時(shí)支架底座合力作用點(diǎn)后移，底座前端比壓減小，后端比壓增大。

②仰采時(shí)支架前后連桿受力比緩傾斜開采大。

根據(jù)上述受力情況，本次支架設(shè)計(jì)立足于四連桿機(jī)構(gòu)的合理布局，數(shù)據(jù)如下表1所示。

為使支架仰采時(shí)受力更合理，需要對(duì)液壓支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

①對(duì)底座進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，對(duì)底板比壓更適應(yīng)仰采工作面，加長(zhǎng)底座后端長(zhǎng)度，使仰采時(shí)底座合力點(diǎn)不超出底座后端。

②采用前雙后雙連桿布置，并進(jìn)行加強(qiáng)。提高支架整體的抗扭能力和穩(wěn)定性，更好地控制掩護(hù)梁后部因煤流壓力造成的偏斜。

2.2 片幫冒頂控制措施

由于仰采時(shí)煤體有向采空區(qū)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，容易發(fā)生煤壁片幫。對(duì)此問(wèn)題，從支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，進(jìn)行以下有效控制措施。

2.2.1 控制梁端距。梁端距在正常情況下，煤壁片幫深度隨梁端距的加大而加深。在充分考慮推移輸送機(jī)不到位或下滑以及采煤機(jī)滾筒挑頂，可能與頂梁干涉的特殊因素，保證采煤機(jī)滾筒不截割支架頂梁的前提下，梁端距盡量取小距離。

緩傾斜工況下，液壓支架頂梁前端與煤壁之間梁端距計(jì)算公式[2]

L=H×tan5°+（B1-B2）+50? ? ?（1）

式中，L為梁端距，mm;H為支架最大高度，mm;B1為采煤機(jī)滾筒最大高度，mm;B2為支架推溜步距，mm。

計(jì)算可得L=426.2 mm，考慮仰采工作面特殊情況下，仰采工作面梁端距設(shè)置在520 mm左右。

2.2.2 選用頂梁加鉸接前梁結(jié)構(gòu)。煤壁片幫深度隨頂梁第一接頂點(diǎn)至煤壁間距的增大而加深。當(dāng)頂板較破碎時(shí)，在移架時(shí)破碎的煤矸向掩護(hù)梁方向充填，支架頂梁前部上方形成空穴，支架升起接頂支撐后，頂梁前部翹起，嚴(yán)重時(shí)支架整體失穩(wěn)翻轉(zhuǎn)。采用鉸接前梁結(jié)構(gòu)可有效適應(yīng)頂板，使液壓支架在井下的適應(yīng)性增強(qiáng)。

此外，由于控制頂梁前端的支撐力可有效防止片幫問(wèn)題。為提高支架的前端支護(hù)性能，提高前梁的前端力，選用大缸徑前梁千斤頂。

2.2.3 采用伸縮梁帶四連桿式護(hù)幫裝置。采煤機(jī)割煤后，伸縮梁及時(shí)伸出至煤壁，護(hù)幫板打出緊貼煤壁，可有效防止片幫（見圖2）。

①伸縮梁千斤頂行程按900 mm設(shè)計(jì)，保證有足夠的行程滿足采煤機(jī)截距。

②考慮到仰采工作面容易出現(xiàn)片幫冒頂，需要較長(zhǎng)的護(hù)幫板打出貼緊煤壁，出現(xiàn)大面積片幫后，在千斤頂與護(hù)幫板之間增加一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，把千斤頂?shù)淖饔糜行У貍鬟f到煤壁和頂板上。

2.3 后部刮板機(jī)裝煤

對(duì)于仰采工作面，布置后部刮板輸送機(jī)時(shí)，相對(duì)于緩傾斜開采時(shí)應(yīng)后置，以提高放煤效率。仰采12°，采高3 000 mm時(shí)，前后部刮板輸送機(jī)中心距離設(shè)計(jì)為6 700 mm。設(shè)計(jì)拉后溜鏈條時(shí)給出余量，根據(jù)采高和仰采角度，可現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整中心距，加大放煤口尺寸，保證放煤效率。

2.4 掩護(hù)梁背角

考慮該礦煤為較厚塊煤，為保證順利放煤，保證正常采煤時(shí)放煤角度在30°～45°，由于仰采時(shí)與工作面不垂直，有12°左右差，掩梁背角設(shè)置時(shí)應(yīng)考慮仰采角度。支架設(shè)計(jì)時(shí)，按12°仰采角度進(jìn)行設(shè)計(jì)：①支架設(shè)計(jì)3 000 mm采高時(shí)，掩梁背角為23.72°，加上12°為35.72°;②支架設(shè)計(jì)3 300 mm采高時(shí)，掩梁背角為31.72°，加上12°為43.72°;③支架設(shè)計(jì)2 600 mm采高時(shí)，掩梁背角為14.2°，加上12°為26.2°。

2.5 推溜與拉架

仰采工作面拉架力和推溜力分析。

拉架：拉架力需要額外克服重力下滑分力，支架重量暫按29 t計(jì)算，比正常水平條件下拉架力增加G×sin17°=84.8 kN。

推溜：一節(jié)過(guò)渡槽或者變線槽或中部槽，算上啞鈴、擋板托架等各種附件，重量按4 t計(jì)算，其仰采至少所需克服力為40+40×sin17°≈52 kN，而千斤頂推溜力為445 kN，遠(yuǎn)大于單節(jié)槽所需。

針對(duì)上述分析造成的推移刮板輸送機(jī)以及拉架困難，從以下兩點(diǎn)優(yōu)化設(shè)。①采用強(qiáng)度更高的整體推桿，對(duì)于控制前刮板機(jī)和支架上竄下滑效果較好，主要結(jié)構(gòu)件采用Q690高強(qiáng)板。②推移千斤頂選用大缸徑倒裝千斤頂，用于提高拉架力和推溜力。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)仰采綜放工作面液壓支架受力、煤壁片幫、頂板冒落、移架困難、裝煤放煤效果等進(jìn)行分析，主要從以下幾點(diǎn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了ZF10000/22/35D放頂煤液壓支架。

①?gòu)姆彭斆貉霾晒ぷ髅媸芰η闆r分析，應(yīng)優(yōu)化加強(qiáng)四連桿結(jié)構(gòu)，加長(zhǎng)底座后端長(zhǎng)度，使仰采時(shí)底座合力點(diǎn)不超出底座后端，提高支架整體的抗扭能力和穩(wěn)定性。

②通過(guò)控制梁端距，選用頂梁加鉸接前梁、伸縮梁帶四連桿式護(hù)幫裝置，有效控制煤壁片幫和頂板冒落問(wèn)題。

③布置后部刮板輸送機(jī)時(shí)，相對(duì)于緩傾斜開采時(shí)應(yīng)后置，并合理設(shè)計(jì)掩護(hù)梁背角，以提高放煤效率。

④設(shè)計(jì)采用強(qiáng)度更高的整體推桿，大缸徑倒裝推移千斤頂，以提高拉架力和推溜力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 閆洪元，李景輝，張顯亮，等.俯采仰采對(duì)液壓支架受力狀況影響的分析[J].煤礦機(jī)械，2012，33（11）：83-84.

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