綜采回撤工作面三角區(qū)支架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分析

滿娜，謝學(xué)斌

（1.國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017209；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 046000）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)煤礦開(kāi)采技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，隨著綜采工作面采掘機(jī)械化、智能化的引入，綜采工作面的回采效率顯著提高，使得綜采工作面工作周期進(jìn)一步縮短，工作面成套設(shè)備的搬家越來(lái)越頻繁。因此搬家所耽誤的生產(chǎn)時(shí)間逐漸引起了礦方的重視，傳統(tǒng)的回撤搬家過(guò)程中，通常采用人工搭設(shè)木垛、木點(diǎn)柱的方式支護(hù)回撤端頭三角區(qū)頂板，工藝十分復(fù)雜且效率不高[1-2]。 本文根據(jù)綜采回撤工作面三角區(qū)支護(hù)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)三角區(qū)支架組并對(duì)其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

1 支架主要參數(shù)分析

三角區(qū)支架組的工作阻力與煤層的采高、煤層頂板、底板的地質(zhì)條件以及回撤巷道的高度有關(guān)，同時(shí)，需要綜合考慮三角區(qū)支架組在不同工作面下的適應(yīng)性因素[3-4]。下面分析單個(gè)支架的工作阻力。

工作面頂板采空區(qū)垮落厚度∑h 為

式中 Mmax——煤層最大開(kāi)采厚度

K——垮落巖石碎脹系數(shù)

α——煤層傾角

本文中，煤層最大開(kāi)采厚度Mmax取3.6 m，垮落巖石碎脹系數(shù)K 取1.1～1.4，一般取1.2，煤層傾角α取3°。

支架工作阻力

式中 ks——富裕系數(shù)，取2.0

B——支架寬度，取1.7 m

L——支架長(zhǎng)度，取3.7 m

K1——來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)，取2.1

γ——圍巖容量，取25 kN/m3

本文中，富裕系數(shù)ks取2.0，支架寬度B 取1.7 m，支架長(zhǎng)度L 取3.7 m，來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)K1取2.1，圍巖容量γ 取25 kN/m3。

將上述參數(shù)代入，并考慮到三角區(qū)支架組在不同工作面下的適應(yīng)性， 確定支架工作阻力為12000 kN/架。

最終，確定支架參數(shù)為：

組合形式：三架一組

支架形式：兩柱掩護(hù)式

支架高度：1800～3500 mm

初撐力：7 916 kN

工作阻力：12 000 kN

立柱：φ400/φ380/φ280/φ260

2 支架主要結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

根據(jù)三角區(qū)支架的工作阻力，對(duì)支架的頂梁與底座進(jìn)行應(yīng)力有限元分析。 分析結(jié)果如下：在頂梁上施加12000 kN 的最大工作阻力， 支架頂梁的有限元分析結(jié)果如圖1 所示。

圖1 支架頂梁有限元分析云圖

從圖中可以看出， 支架的最大應(yīng)力為372 MPa，安全系數(shù)為1.66；支架的最大位移量2.8 mm，符合三角區(qū)支架的使用要求。

對(duì)底座上的柱窩施加12000 kN 的最大工作阻力，底座柱窩的有限元分析結(jié)果如圖2 所示。

圖2 底座柱窩有限元分析云圖

從圖中可以看出， 柱窩的最大應(yīng)力為139 MPa，安全系數(shù)為4.46；支架的最大位移量0.09 mm，符合三角區(qū)支架的使用要求。

3 支架主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

三角區(qū)支架組如圖3 所示，布置于綜采工作面支架與回撤掩護(hù)支架組之間的回撤端頭三角區(qū)，與綜采工作面支架布置方向垂直，頂替原有的木垛式單體支護(hù)方式。

圖3 三角區(qū)支架組

為了適應(yīng)三角區(qū)頂板的垮落，三角區(qū)支架組的布置形式采用兩高一低的組合，三架一組。

在靠近老塘一側(cè)的支架頂梁前端設(shè)計(jì)有大半徑圓弧端面，在移動(dòng)的過(guò)程中，此結(jié)構(gòu)能夠方便支架頂梁順利從網(wǎng)包下擠過(guò)，避免移動(dòng)過(guò)程中對(duì)巷道頂網(wǎng)的破壞，造成頂板巖石脫落。

同時(shí)， 靠近老塘一側(cè)的支架布置有側(cè)護(hù)板，可根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行伸縮控制，有效避免垮落區(qū)矸石掉入支架內(nèi)部，影響支架的搬移效率。

三角區(qū)支架組每臺(tái)支架都布置有推移油缸以及邁步推移橫梁，且一組支架內(nèi)推移橫梁通過(guò)十字連接頭相互連接。 在移動(dòng)過(guò)程中，三臺(tái)支架中有兩臺(tái)撐起與頂板錨固，另一臺(tái)支架通過(guò)收縮推移油缸實(shí)現(xiàn)邁步。 三臺(tái)支架依次循環(huán)，交替撐頂錨固，互為支點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)支架組機(jī)械化邁步自移；回撤端頭三角區(qū)在綜采工作面支架回撤的同時(shí)，存在頂板垮落的風(fēng)險(xiǎn)，因此三角區(qū)支架組采用電液控制系統(tǒng)，可遠(yuǎn)程無(wú)線遙控，避免操作人員接近回撤三角區(qū)，降低安全隱患。

4 應(yīng)用效果

根據(jù)神東公司現(xiàn)有各個(gè)礦井的回撤巷道高度情況，本項(xiàng)目研制的三角區(qū)支架組主要針對(duì)回撤巷道高度在3.2 米以下的工作面進(jìn)行設(shè)計(jì)。 結(jié)合回撤工藝的特點(diǎn)， 三角區(qū)支架組由2 臺(tái)ZY12000/18 /35D 型兩柱掩護(hù)式支架和1 臺(tái)ZY12000/16.5/30D 型支架組成（見(jiàn)圖4），支護(hù)高度分別為1800～3500 mm 和1650～3000 mm。

圖4 三角區(qū)支架組結(jié)構(gòu)形式

三角區(qū)支架組對(duì)綜采工作面三角區(qū)頂板的臨時(shí)支護(hù)，取得了較好的實(shí)用效果，產(chǎn)生了良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

（1）實(shí)現(xiàn)了綜采工作面三角區(qū)的機(jī)械化支護(hù)與邁步式自移，提高工作面回撤效率。

（2）代替原有人工搭設(shè)木垛、木點(diǎn)柱的支護(hù)方式，降低了木材的消耗，節(jié)省了搬家成本。

（3）簡(jiǎn)化原有復(fù)雜的搬運(yùn)工藝，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

（4）操作人員采用遠(yuǎn)程遙控式電液控制系統(tǒng)對(duì)三角區(qū)支架進(jìn)行操作， 避免在危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)，降低了安全隱患。

5 結(jié)語(yǔ)

三角區(qū)支架組的研制與應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的回撤端頭三角區(qū)的支護(hù)形式，有效解決了三角區(qū)頂板的支護(hù)問(wèn)題。 該設(shè)備的成功應(yīng)用，是對(duì)綜采工作面快速搬家成套支護(hù)裝備的補(bǔ)充，一定程度上提高了綜采液壓支架回撤搬家的效率。在改變傳統(tǒng)支護(hù)工藝的同時(shí)， 也縮減了回撤搬家工序，提高了回撤作業(yè)安全性，應(yīng)用效果顯著，具有廣泛推廣應(yīng)用價(jià)值。