劉 樂

（山西中招招標(biāo)代理有限公司，山西 太原 030053）

引言

厚和特厚型煤層在我國屬于高效高產(chǎn)煤礦的主采煤層，無論是煤炭儲量還是年產(chǎn)量占比均超總量的45%，同時具備穩(wěn)定的賦存、堅硬的煤質(zhì)、較淺的埋深等優(yōu)勢，特別適合進行大采高采煤綜合性機械化作業(yè)。在采煤機進行割煤作業(yè)的高度有所增加的情況下，而冒落頂板的巖層沒有填充完全，作業(yè)面承受的壓力開始明顯增加，容易引起頂板發(fā)生冒頂?shù)仁鹿?。通過對破壞覆巖的結(jié)構(gòu)特征、礦山的壓力、失穩(wěn)性機理等方面的研究，有力促進了控制圍巖的穩(wěn)定性技術(shù)的升級發(fā)展，只是沒能將液壓式支架的設(shè)計優(yōu)化同理論研究有效結(jié)合，影響控制圍巖的裝備研發(fā)。本文針對某煤礦大采高為7.0 m的開采高度，進行相關(guān)內(nèi)容的分析研究。

1 大采高作業(yè)面所覆蓋的巖層斷裂構(gòu)成

按照某煤礦對其煤層進行劃分的基本要求，當(dāng)機采工作面的高度達到3.5 m 以上可稱之為大采高采煤工作面。近些年，在對高于6.0 m 大采高的工作面做了大量分析統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，其工作面出現(xiàn)覆巖的破斷性結(jié)構(gòu)、礦山的壓力、圍巖與支架互相作用的關(guān)系等方面同其他工作面存在顯著差異，因為增加機采高度，在采煤機截煤后頂板破碎沒有得到及時填充，造成工作面礦壓動載有明顯的顯現(xiàn)，增加了頂板的控制困難，同時，增加工作面采煤壁的高度，降低了煤壁自穩(wěn)性，使其承載力有所降低，容易使煤壁發(fā)生片幫或冒頂性風(fēng)險[1]。

該煤礦最大的采高作業(yè)面是7.0 m，根據(jù)5-2 煤層所處的實際條件，選擇UDEC 系統(tǒng)對5-2 開采煤層進行研究，作業(yè)導(dǎo)致覆蓋巖層出現(xiàn)斷裂的具體情況見圖1。

圖1 頂板的斷裂形式

根據(jù)對該礦大采高工作面的頂板斷裂巖層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行的分析結(jié)果可知：因為采煤工作面開采最大的高度在7.0 m 時，開采煤層作業(yè)對其上覆的巖層采動會產(chǎn)生較大范圍的影響，即使基巖層較厚，其承載架構(gòu)仍可形成。在5-2 采煤層的上部平均6.7 m的砂巖粉砂破碎后未能完全填補采空區(qū)，在砂巖碎石上面，平均處在13.6 m的細(xì)粒巖中，有部分呈現(xiàn)“懸臂”狀況，同時與粉砂+、巖相結(jié)合，形成了承載架構(gòu)“砌體梁”。實踐驗證，大采高的基巖層厚度越高，其頂板巖開采層在斷裂之后，越是容易出現(xiàn)“砌體梁+懸臂梁”的承載架構(gòu)[2]。因為大采高作業(yè)面的頂板遭到破壞會影響采空的充填效果，亞關(guān)鍵1 層和2 層都產(chǎn)生有規(guī)律斷裂，礦山作業(yè)面承受大小式的規(guī)律性施壓，以致暴露出礦山遭受到的壓力具有動載性特征，頂板出現(xiàn)“砌體梁”和“懸臂梁”，同時斷破是工作面最嚴(yán)重險情，會給液壓式支架造成強烈的動載沖擊。

2 液壓保護支架及圍巖相關(guān)動力學(xué)研究

因為大采高采煤作業(yè)面承受的壓力表現(xiàn)出顯著動載性特點，選擇比較原始的靜力學(xué)形式研究難以得出頂板的來壓載荷沖擊數(shù)據(jù)，故此，根據(jù)其頂板的巖層結(jié)構(gòu)，搭建圍巖及液壓式支架的動力學(xué)簡化模型。以圍巖及液壓式支架具備剛度的特征，用彈性滑移體代替液壓式支架，用損壞破碎體代替直接頂板，因為亞關(guān)鍵1 層發(fā)生破斷仍呈大塊狀，可用較強剛度彈性體代替，亞關(guān)鍵1 層上部隨動的巖層用損壞的破碎體代替，亞關(guān)鍵2 層可用剛體替代，用損壞的破碎體替代底板的巖層，采空區(qū)矸石以可壓縮破碎體替代。

3 大采高礦用液壓保護支架的設(shè)計改造

要想有效提高大采高為7.0 m 支架具備的動載荷承受力，需選用抗沖擊雙伸縮高性能的液壓保護支柱，該支柱設(shè)計缸口選擇矩形加強型的螺紋進行連接，選擇三導(dǎo)式的向環(huán)分布、獨特的焊縫缸底，增加含入段長度和整體的封密溝槽及封密圈等，使立柱的可靠性和沖擊性得到有效提高[3]。四連桿固定結(jié)構(gòu)的設(shè)計選擇雙前式作用連桿和雙后式作用連桿，可使支架的安全性和可靠性得到有效提高。液壓保護支架頂梁的前部的設(shè)計選擇6 根縱筋，以達到提高頂梁承壓力的設(shè)計目的，頂梁與其底座選擇“并”形的箱體構(gòu)造和U 形兩層板進行固定，使其支架承受壓力的關(guān)鍵點達到焊接及強度要求，如圖2所示。

圖2 抗沖擊載荷關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

要想有效提高大采高的液壓式支架的支護能力，就要避免由于初撐作用差導(dǎo)致底座陷進底板等問題造成頂板剝離，以及進一步增加作業(yè)面承受動載荷作用壓力。因此，提出選擇高壓單獨升柱控制軟件。該支柱在下腔時，壓力小于控制閥額定壓力（25～35 MPa），則控制高壓閥開啟，由控制系統(tǒng)向立柱的下腔自動補液加壓，壓力為25～37.5 MPa，同時根據(jù)具體情況對支架的高度進行自動調(diào)節(jié)[4]。

4 大采高的液壓保護支架相關(guān)適應(yīng)性研究分析

該煤礦15207 采煤作業(yè)面的高度是350 m。選擇ZY17000/32/70D型的174 架掩護型雙柱防護支架，選擇KJ216A 類的頂板監(jiān)控測試軟件，配置22個礦壓監(jiān)測分站，對所得來壓周期強度、步距等相關(guān)數(shù)據(jù)進行如下分析：

該工作面平均支護阻力是34.9 MPa，最大可達49.3 MPa，因其受到來自東部作業(yè)面采空區(qū)作業(yè)影響，礦壓在工作面6 號監(jiān)測站明顯加劇，同時表現(xiàn)出周期大小明顯的來壓，其強度比中、下部監(jiān)測站表現(xiàn)明顯[5]。中部強度比下部高，同時表現(xiàn)出一定大小的周期性，來壓規(guī)律周期不明顯。其工作面來壓周期步距是7.8～28 m，平均16.1 m，表現(xiàn)為波浪狀的特征。

工作面在沒有來壓時的礦壓比較低，在來壓后較大，同時表現(xiàn)出一定的沖擊動載性特征，大采高ZY17000/32/70D型的液壓式支架關(guān)鍵部位和主體性結(jié)構(gòu)都沒有出現(xiàn)破裂，其支架所承受的阻力及其強度都符合標(biāo)準(zhǔn)，對頂板具有非常不錯的承受力[6]。作業(yè)面開采產(chǎn)生的片幫量較小，其深度低于800 mm，大部分在300～400 mm 之間，伸縮梁和護幫板分體的護幫式結(jié)構(gòu)能夠?qū)γ罕谄鸬捷^好的控制保護效果，抗損壞性較好，對煤壁保護具有較好的可靠性和防護性。

5 結(jié)論

1）根據(jù)大采高7.0 m 工作面的頂板“砌體梁+懸臂梁”結(jié)構(gòu)和煤層同防護架形成剛性特征，構(gòu)建大采高防護支架及其圍巖組建動力學(xué)仿真模型，把“砌體梁”頂端巖層作為模型邊界限定條件，把液壓式支架立柱的動載抗擊性作為模型構(gòu)建的理論基礎(chǔ)。

2）掩護型防護支架具備較強的保護能力、四連桿固定結(jié)構(gòu)受力均勻，好于掩護型的保護支架，同時保持了重量輕和強度高等優(yōu)勢特點。

3）大采高保護支架能夠起到護幫作用，伸縮式頂梁及護幫式頂板分離架構(gòu)不但能夠幫助護板發(fā)揮支護的作用，還能夠通過伸縮梁施加給煤壁較大作用力，其護幫力、可靠性及其作用位置的合理性都優(yōu)于連體式結(jié)構(gòu)。

4）在該煤礦的兩柱ZY17000/70D型掩護式的大采高防護支架的設(shè)計中，選擇雙伸縮防護支柱、自動供回液閥、高壓的升柱控制系統(tǒng)，使大采高作業(yè)面的動載抗擊性、煤壁可靠性能及液壓支架的適應(yīng)性得到有效提高。