坚硬顶板复杂地质条件下液压支架适应性分析

梁建辉

(西山煤电(集团)公司 杜儿坪矿，山西 太原 030022)

液压支架合理选型是综采工作面实现高产高效的重要保证，液压支架的适用范围和工作面的地质条件密不可分。下面就西山煤电(集团)杜儿坪矿8#煤层使用的掩护式液压支架，从支架结构、初撑力、底座受力以及立柱类型等方面进行分析。

1 地质概况

杜儿坪矿始建于1956年，隶属于西山煤电(集团)公司，矿井设计能力为500万t/a，近几年每年生产原煤450～480万 t，井田面积69.7 km2，井田范围内地质构造复杂，断层、无炭柱特别发育，平均每平方千米赋存55～65个无炭柱，伴生的小断层较多，多为高角度正断层，落差一般在1 m左右，可采煤层6层，8#煤层是该矿的主采煤层，顶板较硬，为石灰岩，底板较软，为细砂岩，局部区段转变为粉砂岩与砂质泥岩互层。煤层中有1～2层夹石，在北三68304工作面掘进过程中就发现14条断层，10个无炭柱。2008—2013年，几乎月月过断层、无炭柱，发生比较大的冒顶事故7次。其中，最大的一次处理冒顶事故花了近100天，既影响原煤生产，又存在较大的安全隐患。

2 液压支架的选型分析

2.1 液压支架的选型比较

两柱掩护式液压支架架型结构简单，易于实现电液控制以实现工作面高产高效，在国内外应用越来越广泛。国内首台采用电液控制技术的薄煤层液压支架是郑州煤矿机械集团公司2001年为晋城集团研制的ZY4400/9/21型薄煤层液压支架，该支架实现了刨煤机工作面的电液控制。后来郑煤机械集团等企业吸收先进技术，结合沁水煤层的特点研制出最大采高5.15 m的液压支架，在晋煤集团寺河矿、赵庄矿试用，效果不错，最高日产可达25 000 t。而神华集团年产量1 000万t以上综采工作面的液压支架是目前世界上最高的ZY10800/28/63掩护式液压支架，支护高度可达6.13 m。工作面在顶板完整的条件下，液压支架的初撑力可以达到设计要求，工作阻力保持额定阻力，支护效果不错，满足生产需要。但工作面遭遇无炭柱、断层等地质构造时，顶板破碎、离层程度加剧，煤体片帮严重，造成支架前端空顶面积增大、支护困难;当出现局部漏顶时，支架前梁和防片帮板无法支撑破碎的顶板，特别是支架防片帮板上方有大块坚硬石头时，无法将石头挑起，采煤机无法通过，放石头时造成更大的冒顶。当发生冒顶时，支架呈射箭状态，顶梁受力发生严重变化，垂直分力大大减小，无法支撑顶板。冒顶严重时，必须采取人工打单体液压支柱支护顶板，打眼放炮推进工作面，效率低、危险程度高，严重制约了原煤生产。

2.2 液压支架立柱的选型比较

从ZZ5200液压支架开始，该矿使用的液压支架立柱均为双伸缩立柱。双伸缩立柱在设计和选型时大都是根据下活柱的负载确定支架的初撑力。在乳化泵站压力恒定时，上活柱的支撑力只有下活柱的58%～64%，液压支架在撑紧顶板时都是处于上活柱伸出状态，该立柱对支架的支撑力只能达到支架额定初撑力的58%～64%，综采工作面往往由于支架初撑力过小造成顶板过早离层和下沉。当顶板来压液压支架达到工作阻力时，立柱下活柱腔的乳化液所受的压力最高可达43 MPa，上活柱腔的压力可能超过70 MPa，尤其是支架受到冲击地压时，上活柱腔的瞬间压力会更高，导致上活柱缸体在高压下膨胀变形、直径加粗。若在此时降柱，会使立柱与导向套之间摩擦增大，轻则导向套塑料衬环表面被磨坏，重则导向套与立柱咬死。据了解该矿的立柱很少有缸体膨胀变形，说明立柱的上活柱腔的压力最高即43 MPa，其工作阻力只有额定工作阻力的58%～64%。因此，虽然该矿使用工作阻力为6 000 kN、8 000 kN的支架，但初撑力不一定比工作阻力4 000 kN的支架大。

2.3 液压支架的底座前端比压比较

该矿使用的掩护式液压支架的底座前端比压较大，经常出现底座前部扎底的情况，不适应较软的底板。而四柱支撑掩护式支架底座前端比压相对较小，底座前部不易扎底。不论是两柱还是四柱支架，若要更好地适应软底板，除合理地计算、优化底板比压外，还可以在底座前部增加抬底装置。该矿使用的ZY6000、ZY8000支架都有底座抬高装置。需要强调的是增加抬底装置是为了移架方便，而不是增加工作阻力，支架经常扎底会降低初撑力和工作阻力。

2.4 与高产高效队组从产量上比较

该矿8#煤层虽然是厚煤层，但由于种种原因一直达不到高产高效，根据2008—2013年的使用情况看，平均年产量为131万t，平均月产量为10.9万t，最高年产量为2008年的157万t，最高月产量为2013年8月的170 845 t，最高日产没有超过8 000 t，不能和高产高效矿井日产2～3万的情况相比。同时该矿8#煤无炭柱、断层太多，几乎月月存在各种构造影响生产，对支架的支护强度提出新的要求，尤其是支架上方有大块石头无法挑起时，采煤机无法通过，只好将大石头放下来，从而造成更大的冒顶。

2.5 液压支架初撑力对煤壁影响的比较

通常工作面顶板压力煤壁和液压支架共同承担煤层的顶板压力，当液压支架的支撑力不足时，液压支架对顶板的支撑作用，且顶板压力会逐渐向煤壁转移，随煤壁压力增大，煤壁容易被压酥，发生片帮。尤其是工作面推进速度不快时，煤壁的片帮更加明显。

2.6 液压支架的顶梁长度比较

支撑掩护式支架的顶梁比掩护式支架长1～1.6 m，再加上多出2根立柱，有利于降低工作面的风速，对该矿高瓦斯工作面的瓦斯排放非常有利。

2.7 液压支架的顶梁有无伸缩梁比较

该矿使用的支架没有采用伸缩顶梁结构，受矿压影响，不能对梁端距增大的顶板做到主动、超前支护，造成支架防片帮板处经常发生漏矸、冒顶。

3 结束语

综上所述，该矿使用的掩护式液压支架结构简单、易于电液控制，相反，其推进较慢，很难适应该矿地质条件复杂、经常过构造的地质条件。综合考虑应该选择大采高、大初撑力的支撑掩护式支架。

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