段思宇

(鄂爾多斯市能源局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

液壓支架作為一種依靠底板、支撐頂板，防護煤壁、為采場提供作業(yè)空間的結(jié)構(gòu)物，對煤炭開采具有十分重要的作用。它不僅要適應(yīng)煤層頂?shù)装鍡l件，為井下作業(yè)人員提供安全的作業(yè)空間，還要為工作面開采、運輸設(shè)備提供動力支撐，決定著工作面主要開采、運輸設(shè)備的合理工作進度。作為綜合機械化開采的主要技術(shù)裝備，液壓支架一次性投資占綜采裝備總資金的70%以上[1-5]，因此在設(shè)備選型過程中，設(shè)計出能夠適應(yīng)特定地質(zhì)條件的液壓支架是實現(xiàn)工作面安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵[6-9]。

1 工作面概況

東瑞煤礦所采的3號煤層位于山西組中部，煤層厚度1.2～2.4m，平均厚度2.1m，上距2號煤層2.5～14.6m，平均距離7.2m，目前上覆2號煤層已被開采，由于煤層相距近，3號煤層在采空區(qū)下開采過程中頂板異常破碎，極易發(fā)生冒頂和煤壁片幫。為了適應(yīng)極近距離重復采動破碎頂板的復雜采礦條件，設(shè)計出新的掩護式液壓支架，有效控制了安全隱患的發(fā)生。

2 工作面支架選型

2.1 支護強度分析

考慮上覆2號煤層已開采完畢，3號煤層回采時采煤工作面會布置于2號煤層采空區(qū)下方，因此回采期間會受到重復采動的影響，2號煤層垮落后的上覆巖層會再一次發(fā)生破斷、運移而對3號煤層工作面產(chǎn)生一定影響[10，11]，在重復采動影響下支架受3號煤層上覆巖層及2號煤層上覆垮落巖層的共同作用，基于此，建立了支架力學結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 支架力學結(jié)構(gòu)圖

支架支護強度q按式(1)計算：

式中，h1為3號煤層直接頂厚度，取7.2m；γ1為3號煤層直接容重，取26kN/m3；M為2號煤層平均開采厚度，1.8m；K為2號煤層上覆巖層碎脹系數(shù)，取1.25；γ2為2號煤層頂板垮落覆巖容重，取25kN/m3；K1為3號煤層工作面回采期間采動影響系數(shù)，根據(jù)實測統(tǒng)計取1.6。

將各參數(shù)代入式(1)計算得q=587.25kPa。

2.2 支架設(shè)計及技術(shù)特征

在上述分析的基礎(chǔ)上，使用基于Visual Basic程序開發(fā)的可視化設(shè)計程序進行設(shè)計，根據(jù)所確定的液壓支架支護參數(shù)，創(chuàng)建相應(yīng)的交互界面，實現(xiàn)支架的相關(guān)計算操作。通過對比分析一定參數(shù)下程序輸出的支架整體結(jié)構(gòu)簡圖、升降過程的動畫以及四連桿機構(gòu)的運動曲線，最終確定適合3號煤層破碎頂板開采支架為ZY5000/12/26D型兩柱掩護式液壓支架，其主要參數(shù)如下：支架型式為兩柱掩護式；支架高度為1.2～2.6m；工作阻力為5000kN(p=43.3MPa)；初撐力為3637kN(31.5MPa)；立柱內(nèi)徑為250mm；支護強度大于0.6MPa；支架中心距為1500mm；支架控制方式采用電液控制；支架重量約15t。

基于開采地質(zhì)條件的復雜性，新型支架具有如下特征：①支架為整體頂梁帶伸縮梁和二級護幫板，可對工作面破碎頂板進行及時支護，采用新型高強度結(jié)構(gòu)鋼設(shè)計，抗彎及抗剪強度高，可有效應(yīng)對頂板應(yīng)力；②對支架四連桿機構(gòu)運行曲線進行多次優(yōu)化，頂梁與破碎頂板具有良好的接觸效果，支架運行姿態(tài)良好，底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化后面積增大，具有較小的接地比壓；③采用雙伸縮立柱，對煤層厚度變化適應(yīng)性強，帶有活動側(cè)護板，有效控制架間漏矸；④初撐力合理時，支架可給煤壁提供一個水平應(yīng)力，有效改善工作面上方頂板受力狀態(tài)，減小頂板冒落及煤壁片幫幾率；⑤配備PM32型電液控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)支架就地控制與遠程控制，電控系統(tǒng)為新型開發(fā)，具有壓力檢測與補償、運行姿態(tài)檢測與報告、高度及傾角測量、聲光報警、環(huán)境監(jiān)測、自動啟停等功能，極大地提高了工作面支架的可靠性、安全性及運行效率。

3 支架適應(yīng)性分析

ZY5000/12/26D型兩柱掩護式支架已用于東瑞煤礦4采區(qū)4303工作面，目前已推進300余米。為研究支架的應(yīng)用情況，在該工作面機頭、機尾及中部共安裝14臺支架工作阻力在線監(jiān)測儀，機頭機尾部各安裝4臺，工作面中部安裝6臺，觀測期間共經(jīng)歷一次初期來壓及五次周期來壓。

3.1 支架工作阻力分析

采動期間在工作面選取的14個支架左右立柱平均工作阻力與工作面推進距離變化關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可知，支架工作阻力主要集中于20～35MPa之間，來壓期間支架工作阻力高于35MPa，但未達到安全閥開啟壓力，支護阻力在正常范圍內(nèi)，支架左右立柱受力偏差較小，在機頭和機尾處個別支架存在左右立柱受力不均現(xiàn)象，但支架整體工作狀態(tài)良好，實際生產(chǎn)過程中支架工作阻力可滿足頂板支護要求。

圖2 支架工作阻力與工作面推進距離變化關(guān)系曲線

3.2 支架運行特征分析

在整個監(jiān)測期間對支架立柱的受力情況進行了統(tǒng)計分析，通過分析可將支架運行特性分為恒阻型、一次增阻型、二次增阻型及降阻型四種，如圖3所示。二次增阻特性所占百分比為56.3%，分析可知，由于3號煤層頂板較破碎，采煤機割煤后，需要支架及時帶壓快速移架，移架后支架會重新承載上覆巖層所傳遞的應(yīng)力，運行特征表現(xiàn)為二次增阻；一次增阻型所占百分比為37.0%，符合傳統(tǒng)兩柱掩護式液壓支架運行特性；恒阻型特性所占百分比為5.3%，分析可知，支架所受應(yīng)力基本保持不變，覆巖處于相對穩(wěn)定狀態(tài)；極少數(shù)架次屬于降阻型，通過分析可知，支架后方極少部分直接頂未能急時冒落，由于煤層較薄，移架后掩護梁及弓形尾梁上方有時出現(xiàn)空區(qū)，由于3號煤層頂板破碎，極少出現(xiàn)頂板完整情況，所以降阻特性極為少見。

通過綜合分析可知，3號煤層頂板破碎程度較大，支架在采煤機割煤后需要快速及時移架來有效控制頂板冒落，由上述特性曲線統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，支架可根據(jù)頂板破碎程度不同表現(xiàn)出不同的運行特性，一次增阻及二次增阻占絕大多數(shù)，表明所設(shè)計的支架對工作面有很好的適應(yīng)性，支架-圍巖耦合效果良好。

3.3 初撐力、煤壁片幫及頂板冒落情況分析

整個觀測期間對支架初撐力進行了統(tǒng)計，由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，初撐力為2000～3000kN，所占百分比為20.2%；70.2%支架初撐力為3000～4000kN，初撐力處于相對合理范圍內(nèi)； 7.1%的支架初撐力在1000～2000kN范圍內(nèi)；2.3%支架初撐力高于4000kN。此外，通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)約15.1%支架初撐力未達到額定初撐力的60%(2182kN)。

在不同初撐力下煤壁片幫及冒頂情況見表1，由表1可知，煤壁片幫及頂板冒落主要發(fā)生于支架初撐力較小的情況下，初撐力在合理范圍內(nèi)時片幫和冒頂可得到有效控制。進一步分析可知，當初撐力較低時，頂梁與直接頂接觸不好，甚至脫離直接頂，支架與圍巖相互作用效果差，上覆頂板往往會在工作面煤壁附近切斷，斷裂后巖塊在運移過程中幾乎全部作用于支架上，由于初撐力不足，支架工作狀態(tài)差，極容易發(fā)生頂板冒落及煤壁片幫。在觀測后期提高支架初撐力后，煤壁片幫和頂板冒落得到了有效控制，分析可知，提高支架初撐力可將其主動力直接作用于上覆頂板，減小頂板離層，有效減小上覆頂板破斷運移對工作面的不利影響，防止頂板冒落；在高初撐力下支架工作狀態(tài)良好，給煤壁提供一個水平方向的應(yīng)力，有效防護煤壁片幫。

4 結(jié) 論

1)結(jié)合東瑞煤礦實際地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件，確定了支架支護強度為587.25kPa。

2)采用可視化設(shè)計程序研發(fā)出了ZY5000/12/26D型兩柱掩護式液壓支架，并給出了其具體參數(shù)及技術(shù)特征。

3)現(xiàn)場實測表明多數(shù)支架在應(yīng)用過程中初撐力及工作阻力處于合理范圍，通過提高初撐力后煤壁片幫及頂板冒落得到有效控制，ZY5000/12/26D型兩柱掩護式支架可滿足3號煤層及近距離破碎頂板復雜條件下的支護要求。

4)實踐表明，提高支架初撐力可使支架處于良好的工作狀態(tài)，有效控制開采過程中的不利因素，保證工作面安全生產(chǎn)。