高阻力支架的電液控制在近距離煤層的應用

劉錦濤

（西山煤電西銘礦機電科，山西 太原 030052）

西銘礦自建礦開始生產(chǎn)已有近50年的開采歷史，當前上部開采條件較好的煤層資源瀕臨枯竭，深部煤層資源的開采逐漸列入礦井生產(chǎn)規(guī)劃中[1]。而下部9#煤層與上部8#煤層之間的平均層間距僅2.88 m，根據(jù)礦井其他9#煤層開采情況，近距離煤層賦存條件下，下部9#煤層工作面回采時受上部8#煤層工作面采動影響較大，上部8#煤層工作面的回采會造成近距離煤層間的巖體破壞，為下部9#煤層工作面回采時頂板控制帶來困難，進而影響到下部9#煤層工作面的安全正常開采。

1 工作面基本情況

西銘礦49407 工作面位于南四采區(qū)右翼，其東側(cè)與采區(qū)軌道巷相鄰，其南側(cè)與已回采的49409采空區(qū)相鄰，其北側(cè)與正回采的49405 工作面相鄰，其西側(cè)與采區(qū)尾巷相鄰。上覆已回采的8#煤層采空區(qū)，兩煤層的層間距范圍1.10～4.05 m，平均2.88 m。工作面開采9#煤層厚度2.09～3.50 m，平均2.86 m；傾角2°～11°，平均5°。煤種屬于低硫中灰的貧煤，為良好的動力及民用煤。其頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 49407 工作面頂?shù)装迩闆r

49407 工作面走向長1 817 m，傾斜長186 m，可采儲量1 262 238.2 t。工作面采用一進一回布置兩條順槽，其中皮帶巷位于工作面的南側(cè)，巷長1 877 m，主要用于49407 工作面的運煤及回風；軌道巷位于工作面的北側(cè)，巷長1 847 m，主要用于49407 工作面的運料及進風；兩條順槽均采用鐵棚支護，棚梁長3.4 m，棚腿長3.4 m，棚距0.8 m。切眼位于工作面最西端，切眼長186 m，由西向東進行回采。

2 工作面支架選型

針對西銘礦南四采區(qū)8#煤層與9#煤層之間的層間距較近，9#煤層的層間頂板已受到采動破壞，為9#煤層工作面頂板控制帶來的支護難題，為保證49407 工作面安全高效生產(chǎn)，必須選用支護強度大、安全系數(shù)高、適應性強的液壓支架。支架參數(shù)選型過程如下：

2.1 支架支護強度

支架支護強度可由公式（1）進行計算[2-3]：

式中：P 為支架支護強度，kN/m2；n1為增載系數(shù)，取2；R 為直接頂容重，取25 kN/m3；Σh 為支架支護頂板厚度，m，可由Σh=M /（K-1）進行計算；M 為工作面采高，取9#煤層最大厚度3.5 m；K 為碎脹系數(shù)，取1.25。

將上述各項參數(shù)代入公式（1）當中，經(jīng)計算可以得出P =700 kN/m2。

2.2 支架工作阻力

支架工作阻力可由公式（2）進行計算[4-5]：

式中：Q 為支架工作阻力，kN；P 為支架支護強度，取計算結(jié)果700 kN/m2；b 為端面距，取0.34 m；L為頂梁長度，3.795 m；B 為支架中心距，取1.5 m；n2為支架效率，取0.98。

將上述各項參數(shù)代入公式（2）當中，經(jīng)計算可以得出Q =4 430 kN。

根據(jù)上述計算結(jié)果，針對49407 工作面的復雜地質(zhì)條件，采用ZY6800/20/42D 型掩護式液壓支架可以充分發(fā)揮支架對于49407 工作面頂板控制的優(yōu)勢，從而有效保證工作面回采作業(yè)安全。該型支架工作阻力6 800 kN＞4 430 kN，因此可以滿足現(xiàn)場使用要求。

2.3 底板比壓驗算

底板比壓驗算可由公式（3）進行計算：

式中：P 底壓為支架底座作用于底板上的壓強，MPa；R1為所選支架工作阻力，取6 800 kN；L1為支架底座長度，取1.9 m；B 為支架中心距，取1.5 m。

將上述各項參數(shù)代入公式（3）當中，經(jīng)計算可以得出P底壓=2.4 MPa

49407 工作面直接底為砂質(zhì)頁巖，普氏硬度5，其抗壓強度為50 MPa。因此，通過底板比壓驗算，該型支架可以滿足現(xiàn)場使用要求。根據(jù)工作面長度，共安設該型支架126 個。ZY6800/20/42D 型液壓支架主要技術參數(shù)如表2所示。

表2 ZY6800/20/42D 型液壓支架主要技術參數(shù)

3 液壓支架電液控制系統(tǒng)

3.1 液壓支架電液控制系統(tǒng)組成

49407 工作面液壓支架配備ZDYZ 型電液控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由監(jiān)控主機、支架控制器、液壓主閥和電控系統(tǒng)組成。每架安裝支架控制器、聲光報警器、電磁閥驅(qū)動器、片閥閥組、壓力傳感器和控制電纜各一臺，組成單架電液控制系統(tǒng)。采用架間連接器將各支架所安裝的支架控制器進行連接從而形成電液控制系統(tǒng)。礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電源、隔離耦合器每6 架各配備一臺。ZDYZ 型液壓支架電液控制系統(tǒng)連線如圖1所示。

圖1 ZDYZ型液壓支架電液控制系統(tǒng)連線

3.2 液壓支架電液控制系統(tǒng)功能

通過ZDYZ 型液壓支架電液控制系統(tǒng)可將工作面各支架通過現(xiàn)場布置的總線進行系統(tǒng)結(jié)合，并利用各類傳感器采集機電設備的運行數(shù)據(jù)，并通過控制邏輯運算，最后利用電磁閥驅(qū)動器對片閥閥組進行開閉操作，進而實現(xiàn)該電液控制系統(tǒng)對工作面支架動作的控制?？刂浦噶羁捎刹僮魅藛T通過按鍵進行操作，也可根據(jù)采煤機位置由該電液控制系統(tǒng)自動操作，不僅具有計算機總線控制的技術優(yōu)勢，并且還有功能豐富、設置簡單、操作便捷、控制靈活、適應性強等一系列特點。該電液控制系統(tǒng)其功能主要包括：單架的鄰架控制、多架成組控制、所有支架聯(lián)動控制、支架自動補液、閉鎖及急停、故障監(jiān)測與提示等功能。

4 經(jīng)濟技術效益分析

4.1 經(jīng)濟效益分析

（1）工作面單產(chǎn)能力提高：因所采用支架支護強度大，循環(huán)進度由0.6 m 提高到0.8 m，在有效支護頂板的同時提高了單產(chǎn)，自2020年1月回采至5月，平均月產(chǎn)量0.091 Mt，其中2月最高產(chǎn)量達到0.105 5 Mt，相比原在49405 工作面平均產(chǎn)量0.068 Mt，提高了0.023 Mt/月，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益的突破。按當前9#煤精煤單價280 元，洗選率85%計算，每月提高經(jīng)濟效益55.38 萬元，全年提高經(jīng)濟效益664.60 萬元。

（2）節(jié)省注漿材料費用：在之前四采區(qū)49405工作面回采過程中，因受上覆采空區(qū)和采動影響，礦壓顯現(xiàn)極為顯著，為減少工作面片幫和保護液壓支架，采用水玻璃、 聚合MDI 無機加固材料注漿，2019年共計用量28 t，24 500 元/t，全年共計花費68.6 萬元。而在49407 工作面回采過程當中，未出現(xiàn)工作面片幫、漏頂?shù)惹闆r，可節(jié)省工作面注漿費用。

（3）節(jié)省人工費用：綜采工作面循環(huán)作業(yè)拉架過程中，使用傳統(tǒng)液壓支架本架操作一般需要4名工作人員，而使用電液控系統(tǒng)后，只需1～2 名工作人員即可。按1 名操作工每月收入8 000 元計算，全年可節(jié)省人工費用約24 萬元。

以上三項合計，采用ZY6800/20/42D 型掩護式液壓支架及電液控制系統(tǒng)后，全年直接經(jīng)濟效益為757.2 萬元。

4.2 技術效益分析

（1）頂板控制效果顯著：ZY6800/20/42D 型掩護式液壓支架的額定工作阻力為6 800 kN，支護強度為0.97 MPa；而原先使用的ZZ-5200/19.5/42 型支撐掩護式液壓支架的額定工作阻力為5 200 kN，支護強度為0.89 MPa。與之相比較，目前使用的液壓支架支護能力有大幅度提升，可以滿足工作面頂板控制要求，極大減少了工作面現(xiàn)場因近距離賦存礦壓過大而引起的大面積壓趴支架等情況，為工作面安全高效生產(chǎn)提供了可靠保證。

（2）由于移架過程中不需要人員站在支架下操作，因此保證了現(xiàn)場工作人員的作業(yè)安全。并且通過電液控制系統(tǒng)控制液壓支架作業(yè)，不但提升了綜采工作面整體自動化程度，而且可以增加采煤機割煤時長，提高工作面產(chǎn)量及效率。

5 結(jié)語

西銘礦49407 工作面通過應用ZY6800/20/42D 型掩護式液壓支架及電液控制系統(tǒng)后，不僅能夠有效控制工作面頂板，還可以實現(xiàn)控制臺遠程監(jiān)控，從而保證工作面安全高效生產(chǎn)。在工作面現(xiàn)場生產(chǎn)當中達到了減輕人工勞動強度、 提高工作面單產(chǎn)、實現(xiàn)經(jīng)濟技術效益的目的，研究成果可以推廣應用到礦井其他類似條件的9#煤層工作面生產(chǎn)當中。