段艷強

（山西潞安化工集團潞寧煤業(yè)有限責任公司，山西 忻州 036700）

1 項目前景

根據(jù)采掘銜接規(guī)劃，22122 綜采工作面開始安裝。該工作面采用綜合機械化一次采全高，儲量約301.8 萬t。從風運巷揭露的煤層情況看，超過4.6 m厚的煤層區(qū)域約有1 000 m，平均煤厚5.1 m，估算4.6 m 以上煤炭儲量超過10 萬t。

2 設備現(xiàn)狀

某礦ZZ9000/22/45 型支架使用至今已達多年，過煤量已超千萬噸，期間經(jīng)過多次大修，設備也已遠超折舊年限，目前該批次支架老化嚴重、結(jié)構(gòu)件強度嚴重降低、使用維護費用高，伴隨某礦當前開采深度加大到480 m、工作面已逐漸加長至近280 m、待開采煤層變厚至5 m 及以上等現(xiàn)狀，該批次支架安全性、經(jīng)濟性各方面已無法滿足本礦生產(chǎn)組織要求。

3 采用大支架的必要性

3.1 進一步提高資源回收率

為了滿足礦井的可持續(xù)發(fā)展，必須珍惜現(xiàn)有資源，提高資源回收率。為提高資源的回收率，本礦雖已采取切頂卸壓、小煤柱護巷、沿空留巷等措施，盡可能減少因留設煤柱造成的資源浪費，但支架支撐高度對工作面回采率的影響也是一個不容忽視的因素。

某礦受古河流沖刷構(gòu)造影響，煤層厚度變異系數(shù)較大，受支架伸縮比限制，原有架型不能滿足工作面精采細采的要求。隨著采深的不斷加大，井下采掘條件日益復雜化，為滿足日趨變化的井下條件，本礦急需對綜采工作面設備進行升級改造，增加支架伸縮比，在支架最低高度不變的前提下，提高支架伸縮高度，不僅能夠滿足快速通過沖刷構(gòu)造帶的需要，而且能最大限度地回收資源。

3.2 采掘工藝優(yōu)化需要

隨著采煤技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外通過加大采煤工作面寬度，減少工作面布置個數(shù)，提升單個回采工作面服務年限已成為趨勢。而工作面寬度的加大，對采掘設備的要求也越來越高，如支架的工作阻力，必須滿足回采工作面頂板周期來壓期間的壓力要求等，因此，大工作面的布置需要考慮增加大支架等相關(guān)設備。

3.3 安全生產(chǎn)需要

根據(jù)《礦井生產(chǎn)地質(zhì)報告》中鉆孔數(shù)據(jù)顯示，某礦煤層厚度在0～5.8 m 之間，包含二二采區(qū)、二四采區(qū)、二五采區(qū)局部，公司現(xiàn)有支架的最大高度分別為4.6 m，在回采過程中，時常出現(xiàn)煤巖分離，頂板破碎、漏空，支架接頂不實等情況，就需要進行注漿加固或增加留頂煤護頂?shù)却胧?，以保證回采安全。

3.4 有利于通風

采用大采高支架，過風斷面大，通風阻力小，容易配風，在加強機組內(nèi)外噴霧，提高機組噴霧的霧化程度的情況下，更容易稀釋上隅角瓦斯和達到降塵效果。

此外，由于受地質(zhì)條件限制，本礦暫不能使用放頂煤工藝。

放頂煤開采是在開采厚煤層時，沿煤層的底板或某一厚度煤層底部布置一回采工作面，利用礦壓作用或輔以松動爆破等手段，使頂煤破碎成散體后，由支架后方或上方的“放煤窗口”放出以達到回采效果的采煤工藝。

4 技術(shù)可行性

某礦綜采工作面運巷斷面（寬×高）為5.2 m×3.6 m，風巷斷面（寬×高）為4.5 m×3.6 m，切眼斷面（寬×高）為7.6 m×3.6 m，平均坡度5°，副斜井凈斷面尺寸（寬×高）為4.4 m×3.3 m，采用卡軌運輸結(jié)合單軌吊輔助運輸至工作面安裝，根據(jù)井下運輸條件要求，支架臥架后要求不得高于2.3 m，受卡軌車運輸能力限制質(zhì)量不得超過30 t。

此外，在調(diào)研一次采全高和放頂煤液壓支架的選擇上，結(jié)合本礦現(xiàn)有生產(chǎn)工藝，考慮到本礦煤層賦存、生產(chǎn)工藝及原設備生產(chǎn)使用經(jīng)驗，煤層硬度普氏系數(shù)達到9～12，在安全性、經(jīng)濟性方面調(diào)研首選考慮使用滿足與現(xiàn)有刮板機配套使用的四柱支撐掩護式一次采全高液壓支架。

4.1 支架參數(shù)比對

為實現(xiàn)綜采工作面采高達到5 m，配套支架支護高度將達到5.2 m 左右。根據(jù)前期多方調(diào)研，本礦與鄭煤機反復研究探討，鄭煤機設計出了一套符合本礦煤層厚度的大伸縮比四柱支撐掩護式液壓支架。與現(xiàn)有支架具體技術(shù)參數(shù)對比如表1 所示。

表1 支架技術(shù)參數(shù)對比

4.2 支架參數(shù)驗算

4.2.1 選用支架架型結(jié)構(gòu)

掩護式支架對不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定頂板適應性較好，掩護式支架頂梁前端支護力大，但切頂能力較差；支撐掩護式支架適用于穩(wěn)定頂板和堅硬頂板，支架切頂性能強，適用于頂板來壓強度大、直接頂穩(wěn)定性強的工作面。本礦頂板屬穩(wěn)定堅硬頂板，采用深孔爆破超前預裂頂板，全部垮落法管理頂板，所以適合選用支撐掩護式液態(tài)支架。

4.2.2 支架最大、最小采高

支架最大高度（Hmax）為5.2 m,最小高度（Hmin）為2.3 m。

式中：Mmax、Mmin為煤層最大、最小采高，m。

將上述數(shù)據(jù)代入式（1）得：Mmax＝5.0m，Mmin＝2.6m。

回采最大采高5.0 m，最小采高2.6 m，適合某礦厚煤層工作面，滿足生產(chǎn)要求。

4.2.3 支架支護強度效驗

支架支護強度采用巖石密度法計算選取，公式如下：

式中：P 為支架支護強度，MPa；kd為基本頂失穩(wěn)時的動載系數(shù)，一般選取1.1～1.8；M 為煤層采高，取5 m；kp為冒落矸石碎漲系數(shù)，常值1.2；ρ 為頂板巖石密度，取26.6 kN/m3。

將數(shù)據(jù)代入式（2）得：P=1.064 MPa≈1.1 MPa。

根據(jù)以上計算，若選用ZZ10000/23/52 型液壓支架，該支架支護強度滿足使用要求。

4.2.4 支架工作阻力

采用折算法來計算頂板載荷，即按老頂巖性和支架最大高度確定的支架載荷Q。

式中：Q 為支架載荷，kN；F 為支架的支護面積，取7.9 m2；q 為支架的支護強度，取1.1 MPa。

將相應數(shù)據(jù)代入式（3）得：Q＝8 690 kN。

在兩柱式支撐掩護支架的設計中，考慮到結(jié)構(gòu)強度要求和運輸條件下高度及重量的限制，根據(jù)以上原則及計算結(jié)果組織調(diào)研并進行綜合考慮，擬定選用某煤礦機械集團股份有限公司設計生產(chǎn)的ZZ10000/23/52 型液壓支架，具有技術(shù)可行性。

5 經(jīng)濟可行性

5.1 預期產(chǎn)生效益

根據(jù)22122 工作面賦存條件，按分布長度1000m，煤價格按照628 元/t 計算，對比ZZ9000/22/45 型支架，應用新型支架后可多回收資源的創(chuàng)收效益可觀。

經(jīng)測算，購置某煤礦機械集團股份有限公司生產(chǎn)的Z10000/23/52 型液壓支架約需1 億元，僅22122 工作面就可將新設備購置費用收回，還有約0.9 億元的效益。而且，該種架型還能應用到煤層厚度2.7 m 以上的其他工作面，尤其是煤層厚度大于4.6 m 的工作面，設備利用率很高，效益可觀。

5.2 配套設備情況

5.2.1 刮板機可直接使用現(xiàn)有設備

因該型支架滿足與本礦現(xiàn)有的SGZ960 系列刮板輸送機應用配套，經(jīng)某煤礦機械集團股份有限公司組織配套，該型支架與本礦現(xiàn)有的SGZ960/2×525 型、SGZ960/2×700 型刮板輸送機均滿足直接配套使用條件。

5.2.2 采煤機僅需更換部件

為適應支架采高變化后的生產(chǎn)需要，經(jīng)本礦與上海某集團股份有限公司聯(lián)系組織配套設計，本礦現(xiàn)有的MG500/1140-GWD 型采煤機滿足采高在2.5～4.5 m 時的直接配套使用要求，在滿足4.5～5 m采高的要求下，僅需對現(xiàn)有機組搖臂、牽引部進行改造即達生產(chǎn)要求，設備整體投入較小，預計費用在300 萬元。

6 結(jié)論

該型液壓支架對比局機廠提供可選的ZY13000/28/62 型兩柱式支撐掩護液壓支架或鄭煤機其他系列如ZY8640/25.5/55D 型、ZY9000/25.5/55型兩柱式支撐掩護支架等，在經(jīng)濟可行性、安全可行性等方面，更適應于本礦22122 綜采工作面回采要求[1-2]。