宋銀林

(大同煤礦集團(tuán)公司，山西大同037003)

同煤集團(tuán)堅(jiān)硬頂板特厚煤層6m一次采全高液壓支架研究

宋銀林

(大同煤礦集團(tuán)公司，山西大同037003)

根據(jù)大同煤田12號(hào)煤層地質(zhì)情況，分析了堅(jiān)硬頂板條件下工作面的礦山壓力顯現(xiàn)特點(diǎn)以及在該地質(zhì)條件下大采高液壓支架應(yīng)具備的能力，研制開發(fā)了相應(yīng)的液壓支架，滿足了該條件工作面開采需要。

液壓支架;堅(jiān)硬頂板;抗沖擊;穩(wěn)定性

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大同煤礦集團(tuán)公司厚煤層的工業(yè)儲(chǔ)量大約為0.247Gt，其中可采儲(chǔ)量為0.175Gt，主要分布在四老溝、永定莊、煤峪口、馬脊梁、燕子山、四臺(tái)、云崗、晉華宮等礦的11號(hào)、12號(hào)和14號(hào)煤層。其賦存的主要特點(diǎn)為：煤層厚度變化大;煤層分叉合并的情況較多，局部夾石現(xiàn)象嚴(yán)重，夾石硬度較大;煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，受采動(dòng)影響，煤壁容易片幫;煤層頂板的結(jié)構(gòu)、巖性、分層厚度等差異大。其中，12號(hào)煤層直接頂堅(jiān)硬，垮落時(shí)對(duì)工作面液壓支架產(chǎn)生很大的沖擊，因此需要研究開發(fā)一種適應(yīng)堅(jiān)硬頂板條件的厚煤層一次采全高液壓支架，實(shí)現(xiàn)該煤層安全高效開采。

為此，同煤集團(tuán)和天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部根據(jù)大同煤田12號(hào)煤層特殊地質(zhì)條件，聯(lián)合開發(fā)設(shè)計(jì)了ZZ13000/28/60型支撐掩護(hù)式液壓支架，支架結(jié)構(gòu)高度2.8～6.0m，最大采高5.8m，工作阻力13000kN，于2010年通過5萬次型式試驗(yàn)，相繼在晉華宮和忻州窯煤礦投入使用。生產(chǎn)結(jié)果表明，該支架結(jié)構(gòu)合理，支護(hù)能力滿足要求，未發(fā)生結(jié)構(gòu)件開裂和支護(hù)性能不足問題。

1 地質(zhì)條件

12號(hào)煤層結(jié)構(gòu)簡單，賦存穩(wěn)定，只在西、中部發(fā)育一至二層夾石，夾石單層最大厚度0.6m，煤層中間薄兩邊厚，中部發(fā)育一210m煤層變薄區(qū)，煤層厚度1.4～3.0m，平均煤厚2.2m。東部煤層3.0～6.9m，平均煤厚5.6m，西部煤層3.0～7.3m，平均5.8m。工作面有深灰色砂質(zhì)頁巖偽頂，厚度為0.9m;直接頂為深灰色細(xì)砂巖，厚2.3m;基本頂為灰白色中粗砂巖，厚18.2m。底板為灰細(xì)砂巖、砂質(zhì)頁巖。

煤層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤層綜合柱狀圖

2 大采高堅(jiān)硬頂板工作面礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)

頂板堅(jiān)硬，完整性好，采空區(qū)頂板懸頂長，當(dāng)懸頂達(dá)到一定長度斷裂垮落時(shí)，礦壓顯現(xiàn)十分強(qiáng)烈。在頂板沖擊壓力下，支架載荷瞬間突然增大，要求立柱安全閥能夠及時(shí)開啟，以保證支架立柱和結(jié)構(gòu)件不受沖擊載荷而損壞。

3 液壓支架架型選擇

由于12號(hào)煤頂板堅(jiān)硬和不易冒落，因此要求液壓支架具有較高的支撐能力、較強(qiáng)的切頂性能和抗沖擊能力。由于采高最大5.5～5.8m，還要求支架具有較好的穩(wěn)定性。四柱支撐掩護(hù)式支架具有承載力大、切頂能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，對(duì)堅(jiān)硬頂板條件工作面適應(yīng)性好，因此選用支架。

4 工作阻力確定

4.1按照采高法確定支護(hù)強(qiáng)度

式中，K1為作用于支架上的頂板巖石厚度系數(shù)，一般取6～8，大采高取8;H為工作面采高，5.8m;γ為巖石密度，取2.5t/m3。

4.2 巖石密度法確定支護(hù)強(qiáng)度

該方法認(rèn)為支架支護(hù)強(qiáng)度主要同支架上方矸石冒落帶重量和頂板來壓時(shí)的動(dòng)載系數(shù)有關(guān)，即：

式中，Kd為采高大動(dòng)載系數(shù)，取2;Kp為頂板巖石碎脹系數(shù)，取1.25;M為采高，m;取Mmax=5.8m;γ為巖石密度，取γ=25kN/m3。

將各參數(shù)代入計(jì)算，得：

以上2種計(jì)算方法求解的結(jié)果基本一致，即支架的支護(hù)強(qiáng)度不能小于1.16MPa，考慮一定的安全系數(shù)，最終支架的支護(hù)強(qiáng)度取1.2MPa。

4.3 額定工作阻力F確定

式中，P為綜采區(qū)工作面額定支護(hù)強(qiáng)度，P≥1.2MPa;L為支架中心距，取L=1.75m;Bc為控頂距，取Bc=5.8m;η為支撐效率，取η=0.98。

F≥1.2×106×1.75×5.8/0.98≥12429(kN)

對(duì)以上計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)字圓整，同時(shí)考慮立柱的合理缸徑和安全閥壓力，得支架額定工作阻力為F=13000kN。

5 堅(jiān)硬頂板條件下大采高液壓支架適應(yīng)性研究

5.1 支架抗沖擊研究

通常情況下，由于掩護(hù)梁上冒落矸石的作用載荷與支架水平力相比，幾乎可以忽略不計(jì)，因此不必額外計(jì)算。在堅(jiān)硬頂板條件下，頂板斷裂時(shí)，有一定的沖擊力，支架常因該力而發(fā)生縱向滑移，引起立柱爆裂、“鼓肚”、彎曲和結(jié)構(gòu)件損壞，因此需要計(jì)算冒落矸石對(duì)掩護(hù)梁的沖擊力，計(jì)算式為：

式中，F(xiàn)為矸石以沖擊的方式作用在掩護(hù)梁上的力，kN;W為作用矸石的重量，t;h為矸石冒落時(shí)對(duì)掩護(hù)梁的沖擊高度，m;g為重力加速度9.81m/s2;k為矸石對(duì)掩護(hù)梁作用方式系數(shù);t為沖擊作用的時(shí)間，s。

上述計(jì)算式中主要參數(shù)選取如下：

矸石對(duì)掩護(hù)梁的作用方式系數(shù)k，當(dāng)大塊巖石直接沖擊在掩護(hù)梁上時(shí)，k取1;當(dāng)大塊巖石呈巖梁冒落，一端作用在掩護(hù)梁上，另一端同時(shí)作用在底板矸石時(shí)，k取0.5。

矸石沖擊作用的時(shí)間t，根據(jù)多年的觀察和測試，一般t=0.01～0.02s。

經(jīng)估算分析，在大采高條件下，若支架后部1.5m長3m厚的懸板以3.5m高度沖擊掩護(hù)梁時(shí)對(duì)掩護(hù)梁的沖擊力F即可超過1400t;3m長4m厚懸臂巖梁以4m高度沖擊掩護(hù)梁，其沖擊力超過4000t。

大塊頂板巖石對(duì)掩護(hù)梁的沖擊力F可分解為：垂直于掩護(hù)梁的力P1和平行于掩護(hù)梁的力P2(如圖2所示)。

圖2 頂板大塊巖石沖擊掩護(hù)梁

由圖可知，P1=Fcosθ，式中，θ為掩護(hù)梁背角。P1隨θ角、采高h(yuǎn)的減小而增大，因此設(shè)計(jì)時(shí)盡量增大掩護(hù)梁背角、減少掩護(hù)梁外露量，使用中盡量保持液壓支架工作在采高上限，減小垮落的頂板在掩護(hù)梁上的作用面積，減小水平推力。

5.2 立柱采取的措施

液壓支架立柱安裝在頂梁和底座之間，頂板的沖擊壓力作用在頂梁上，通過立柱傳遞到底座。工作面頂板壓力一般呈現(xiàn)周期性顯現(xiàn)，液壓支架在一個(gè)工作循環(huán)( 降柱—拉架—升架) ，立柱的外載特征表現(xiàn)為初撐增阻—緩慢增阻—急增阻—恒阻(小幅震蕩)—降柱降阻，其承載特征如圖3。

圖3 液壓支架立柱承載特征曲線

堅(jiān)硬頂板工作面，礦壓顯現(xiàn)較明顯，表現(xiàn)為來壓突然，載荷有沖擊性，立柱瞬間急增阻，由于沖擊時(shí)間很短，常規(guī)的立柱安全閥的彈簧動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度跟不上沖擊載荷造成的立柱增阻速度，安全閥卸載口來不及開啟卸壓，立柱內(nèi)腔壓力瞬間增大，造成立柱損壞。立柱承受外載沖擊的特征如圖4。

圖4 立柱承受外載沖擊特征曲線

為此，在立柱上除了安裝200L/min常用安全閥外，還在缸體下腔安裝1000L/min大流量旁路安全閥，當(dāng)立柱受到?jīng)_擊壓力時(shí)，旁路安全閥及時(shí)開啟，快速卸壓，以保護(hù)立柱不受損壞。

5.3 優(yōu)化四連桿機(jī)構(gòu)提高支架性能

液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇設(shè)計(jì)時(shí)，要求液壓支架在工作段由高位置運(yùn)動(dòng)到低位置時(shí)，四連桿雙紐線運(yùn)動(dòng)軌跡向工作面煤壁方向傾斜，保證水平摩擦力始終指向采空區(qū)，梁端距軌跡曲線如圖5。

水平摩擦力始終指向采空區(qū)，通過力的傳遞，可以使底座合力作用點(diǎn)向支架后部移動(dòng)，進(jìn)而減小底座前端比壓，使支架運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)順利。

5.4 支架縱向穩(wěn)定性研究

減小四連桿機(jī)構(gòu)銷孔間隙，減小頂梁的偏擺量，提高支架縱向穩(wěn)定性。通過對(duì)縱向穩(wěn)定性的計(jì)算和分析，當(dāng)銷軸和孔的最大間隙為1.0mm時(shí)，采高在5.8m時(shí)，液壓支架頂梁縱向偏擺量可達(dá)到72mm;當(dāng)銷軸和孔的間隙設(shè)計(jì)為0.75mm時(shí)，液壓支架頂梁縱向偏擺量可降到49.7mm以內(nèi)。減小銷軸和孔的間隙雖然增加了制造和組裝的難度，但根據(jù)目前國內(nèi)的加工水平，完全能夠?qū)崿F(xiàn)。為了減小四連桿機(jī)構(gòu)的銷軸和孔間隙，孔尺寸公差設(shè)計(jì)為H10(0，+0.18)，軸尺寸公差設(shè)計(jì)為 h10(-0.18，0)，以保證四連桿機(jī)構(gòu)的銷孔間隙在0.5～0.75mm之間變化。

圖5 梁端距變化曲線

減小四連桿鉸接的橫向配合間隙，減小頂梁、掩護(hù)梁、連桿的偏擺量，提高支架橫向穩(wěn)定性。在液壓支架設(shè)計(jì)中，四連桿機(jī)構(gòu)連接處的橫向間隙設(shè)計(jì)為8mm，檔寬公差設(shè)計(jì)為 (-1.5，0)，耳座寬度公差設(shè)計(jì)為 (0，1.5)，控制四連桿機(jī)構(gòu)連接處的橫向間隙在6.5～9.5mm范圍內(nèi)變化。

在一定采高下，支架越寬，其穩(wěn)定性越好。ZZ13000/28/60支撐掩護(hù)式液壓支架的高度已經(jīng)達(dá)到6000mm，為了提高支架的穩(wěn)定性，將支架的中心距設(shè)計(jì)為1750mm。

6 液壓支架主要參數(shù)

架型為四柱支撐掩護(hù)式液壓支架;支架結(jié)構(gòu)高度為2800～6000mm;支架寬度為1660～1860mm;支架中心距為1750mm;初撐力為10128kN(P=31.4MPa);支架工作阻力為13000kN(P=40.43MPa);支護(hù)強(qiáng)度為1.24～1.28MPa;底板前端比壓2.1～4.2 MPa;移架步距800mm;泵站壓力為31.4MPa;操縱方式為手動(dòng)控制;重量約43.8t/架。

7 結(jié)論

ZZ13000/28/60支撐掩護(hù)式液壓支架在晉華宮、忻州窯2個(gè)工作面進(jìn)行了井下工業(yè)性試驗(yàn)，經(jīng)過大的沖擊壓力和復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的檢驗(yàn)，未出現(xiàn)支架損壞和支架壓死情況，最高日產(chǎn)達(dá)到0.03Mt，滿足了堅(jiān)硬頂板工作面開采需要。

［1］王國法，趙志禮.液壓支架雙伸縮抗沖擊立柱動(dòng)態(tài)分析 ［J］.煤礦開采，2010，15(2)：62-64.

［2］趙國棟.應(yīng)用于大采高、堅(jiān)硬頂板條件的支架設(shè)計(jì)分析［J］.山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2003(2)：41-43.

［3］朱 軍.年產(chǎn)千萬噸綜采工作面液壓支架的研制 ［J］.煤礦開采，2011，16(3)：98-100.

［4］劉俊峰.兩柱掩護(hù)式大采高強(qiáng)力液壓支架適應(yīng)性研究［D］.北京：煤炭科學(xué)研究總院，2006.

TD355.41

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1006-6225(2012)04-0038-03

2012-03-19

宋銀林 (1968-)，男，山西大同人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任同煤集團(tuán)副總工程師。

徐亞軍］

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