四柱放顶煤液压支架支护能力技术研究

王彪谋，高素英，杜忠孝

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013; 2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013; 3.北京中煤矿山工程有限公司，北京，100013)



四柱放顶煤液压支架支护能力技术研究

王彪谋1，2，高素英3，杜忠孝1，2

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013; 2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013; 3.北京中煤矿山工程有限公司，北京，100013)

［摘要］煤矿广泛采用铰接顶梁结构的四柱放顶煤液压支架，存在的问题是前梁端部支撑能力小，顶梁结构复杂，封闭性差，支架前部容易出现片帮、冒顶。采用整体顶梁结构的四柱放顶煤液压支架，顶梁前端的支撑力大，可有效防止煤壁片帮、冒顶，但该架型支架前、后柱受力不均带来的问题比较突出，严重时造成工作面支架压死。理论研究和实际应用表明，要针对煤层开采条件进行个性化设备选型和液压支架优化设计，选用整体顶梁结构的四柱放顶煤液压支架，建议其额定工作阻力估算值应比普通铰接顶梁放顶煤支架提高约1.4～1.6倍。

［关键词］四柱放顶煤液压支架;铰接顶梁;整体顶梁;工作阻力

究工作。

［引用格式］王彪谋，高素英，杜忠孝.四柱放顶煤液压支架支护能力技术研究［J］.煤矿开采，2015，20 (2) : 27－29，55.

煤矿广泛采用铰接顶梁结构的四柱放顶煤液压支架，存在的问题是前梁端支撑能力小，顶梁结构复杂，封闭性差，支架前部容易出现片帮、冒顶。采用整体顶梁结构的四柱放顶煤液压支架，顶梁前端的支撑力大，可有效防止煤壁片帮、冒顶，但该架型的主要问题是支架前、后柱受力不均，经常出现支架顶梁低头、前立柱涨缸、后立柱拉坏等现象，严重时造成工作面支架压死。因此，研究不同结构四柱放顶煤支架的实际支撑能力，合理确定支架额定工作阻力是非常必要的。

1　支架现场应用实例

内蒙古薛家湾矿区放顶煤工作面四柱支架选用情况如表1所示。

表1　薛家湾矿区四柱放顶煤液压支架选用情况统计

内蒙古薛家湾地区主采6号煤层，直接顶为砂质泥岩、中粒砂岩，平均厚度7.49m，基本顶为细粒砂岩，粗粒砂岩、中粒砂岩、含砾粗砂岩;底板为泥岩、砂质泥岩、粗砂岩。唐公塔煤矿、补连沟煤矿、孙家豪煤矿等均选用工作阻力为13000～15000kN四柱放顶煤支架，采用铰接顶梁结构，可满足使用需求。黄玉川煤矿选用了工作阻力为21000kN的四柱整体顶梁放顶煤电液支架，可满足生产需要。

薛家湾地区酸刺沟煤矿开采6上煤层，直接顶为中粒砂岩、泥岩，平均厚度9.61m，基本顶为粗粒砂岩，平均厚度26.35m，底板为灰色泥岩。配备工作阻力为15000kN四柱放顶煤液压支架，采用整体顶梁结构，开采时出现了支架大面积压死事故，支架损坏严重，影响了工作面正常生产。后续工作面选用了工作阻力为21000kN的四柱整体顶梁放顶煤电液支架，基本满足了生产需要。

从以上实例可以看出，虽然酸刺沟矿开采条件有特殊之处，但其他矿条件相似，选用整体顶梁四柱放顶煤支架的额定工作阻力比铰接顶梁结构支架的额定工作阻力提高近1.4～1.6倍。

2　两种支架额定工作阻力下力学参数对比分析

根据天地科技开采设计事业部的通用计算方法，在配套设备相同，支架前、后立柱均达到额定工作阻力的条件下，分别对铰接顶梁和整体顶梁两种结构的ZF15000/26/40型四柱放顶煤液压支架的力学参数进行了计算。

2.1参数计算

(1)铰接顶梁支架主要节点处集中力计算值为:前梁前端集中力Q11=394.3kN;顶梁前端集中力Q12= 6563.5kN;顶梁后端集中力Q13= 8091.4kN。前立柱至前梁前端无立柱区支撑力为Q14=5367.3kN。

(2)整体顶梁支架主要节点处集中力计算值为:顶梁前端集中力Q21= 4917kN;顶梁后端集中力Q22=10132.2kN;前立柱至顶梁前端无立柱区支撑力为Q23=6885.47kN。

2.2参数对比分析

两种四柱放顶煤支架额定工作阻力下参数对比见表2。

表2　两种四柱放顶煤支架额定工作阻力下参数对比

分析表2所示数据，可以得出如下结论:

(1)铰接顶梁支架前梁前端集中支撑载荷394.30kN，顶梁前部无立柱区支撑载荷5367.30kN，均相对较小，对于松软煤层和破碎易冒顶板容易出现片帮、冒顶现象;顶梁后端集中支撑载荷8091.40kN相对较小，切顶力小，不利于顶煤冒落。

(2)整体顶梁支架前端支撑载荷4917.00kN，顶梁前部无立柱区支撑载荷6885.47kN，相对较大，对于松软煤层和破碎易冒顶板支护效果好，可有效防止片帮冒顶现象;顶梁后端支撑载荷10132.20kN，相对较大，后端切顶力大，有利于对顶煤破碎冒落。

(3)铰接顶梁支架顶梁前、后端集中载荷之比为0.81，说明顶梁对顶板承载分布比较均匀;整体顶梁支架顶梁前、后端集中载荷之比为0.49，说明顶梁对顶板承载特性变化大，当顶板给支架施加均布载荷时，支架后立柱的支撑力不能有效发挥。

(4)铰接前梁长度为1600mm，铰接顶梁相对整体顶梁几何尺寸短约1600mm，铰接顶梁支架整体运输尺寸短，方便运输。

3　顶板载荷对两种支架支撑能力影响

放顶煤工作面顶煤冒放前、后顶板外载荷对支架顶梁的作用力及作用位置均会有较大变化，因煤层赋存条件不同，载荷变化情况也是非常复杂的，很难有量化的结论。在顶煤冒放前，顶板载荷有利于四柱放顶煤支架前、后柱受力均匀，顶煤冒放后一般前柱受力加大，后柱受力减小，前、后柱受力不均带来的问题比较明显。放顶煤支架顶梁在井下所受均布载荷是一种基本工况，应用实例证明，支架支撑能力满足该工况的要求，就可基本满足正常安全生产的需要。顶板对液压支架顶梁施加均匀分布载荷时，由于液压支架顶梁前部无立柱支撑区域大，当前立柱达到额定工作压力时，后立柱通常达不到额定工作压力，此时支架承受的外部载荷即为支架实际支撑力，通常该力小于支架额定工作阻力。因此，研究确定支架工作阻力时需要在此工况下对支架进行计算校核，使支架的实际支撑能力满足正常生产的需要。

根据天地科技开采设计事业部的通用计算方法，分别对铰接顶梁和整体顶梁两种结构的ZF15000/26/40型四柱放顶煤液压支架，在配套设备相同、顶板载荷为均匀分布的工况条件下，计算分析了支架实际支撑能力。

3.1铰接顶梁支架

在顶板载荷为均匀分布外加载的工况条件下，当铰接顶梁放顶煤支架前立柱达到额定工作压力时，后立柱会相应产生一定的压力，由此计算出支架实际支撑能力数值，如图1所示。

(1)主要节点处集中力计算值为:前梁前端集中力Q11= 394.3kN;顶梁前端集中力Q12= 5786.6kN;顶梁后端集中力Q13=5821.6kN。

(2)当前立柱达到额定工作阻力7500kN时，后立柱受载4500kN，支架实际有效支撑力为12000kN，约为额定工作阻力值的80%。

3.2整体顶梁支架

在顶板载荷为均匀分布外加载的工况条件下，当整体顶梁放顶煤支架前立柱达到额定工作压力时，后立柱会相应产生一定的压力，由此计算出支架实际支撑能力数值，如图2所示。

图2　整体顶梁结构放顶煤支架受顶板均布载荷时受力分析

(1)主要节点处集中力计算值为:顶梁前端集中力Q21= 3544.4kN;顶梁后端集中力Q22= 3888.1kN。

(2)当前立柱达到额定工作阻力7500kN时，后立柱受载为0，支架实际有效支撑力为7432.5kN，约为额定工作阻力值的50%。

3.3两种支架承载能力对比分析

上述计算结果说明:当顶梁上方施加均匀分布加载时，铰接顶梁支架实际有效支撑能力可达到12002.5kN，是支架额定工作阻力的80%;整体顶梁支架实际有效支撑能力可达到7432.5kN，是支架额定工作阻力的50%;可以看出铰接顶梁支架实际有效支撑能力是整体顶梁支架的1.6倍。因此，同等条件下支架选型时整体顶梁支架工作阻力应比铰接顶梁支架提高约1.6倍。

4　改变前、后立柱缸径对提高支架支撑能力影响

为了解决四柱放顶煤液压支架普遍存在前、后柱受力不均问题，个别煤矿在支架设计时要求采取加大前柱缸径，减小后柱缸径。以ZF15000/26/40型四柱放顶煤液压支架为例，前、后立柱缸径均采用360mm的支架前方无立柱区支撑力为6886kN;前柱缸径采用380mm，后柱缸径采用340mm，支架前方无立柱区支撑力为6997kN，支撑力相对提高1.016倍。数据表明，采取加大前柱缸径减小后柱缸径，改善支架承载能力效果不明显。前、后立柱缸径不同，带来的问题是不能互换，现场维修管理不便，增加配件库存量。

5　结论与建议

(1)铰接顶梁四柱放顶煤支架优点是顶梁短，方便运输和过断层;缺点是支架前梁前端承载能力小，对于松软煤层和破碎易冒顶板容易出现片帮、冒顶现象;存在支架前、后柱受力不均现象，在顶梁受均布载荷时支架实际有效支撑力可达到额定工作阻力的80%。

(2)整体顶梁四柱放顶煤支架优点是顶梁前端承载能力大，对于松软煤层和破碎顶板支护效果好，可有效防止片帮冒顶现象;后端切顶力大，有利于破碎顶煤。在松软煤层时，支架前、后柱受力不均问题突出，在顶梁受均布载荷时支架实际有效支撑力只能达到额定工作阻力的50%。

(3)针对煤层开采条件要进行个性化配套选型和液压支架优化设计，特别是采用整体顶梁结构时，应充分考虑顶梁受均载工况情况，相同条件下建议其工作阻力比四柱铰接顶梁支架提高1.4～1.6倍，防止压死支架等重大事故发生。

(4)加大前柱缸径，减小后柱缸径，改善支架支撑能力效果不明显。带来的问题是前、后立柱互换性差，维修管理不便，配件库存量增加。

(5)理论研究和大量实践证明采用整体顶梁结构的两柱放顶煤液压支架支护性能较好，不存在前、后柱受力不均问题，电液控制易于实现自动化，建议优先选用。

［参考文献］

［1］王国法，等.液压支架技术［M］.北京:煤炭工业出版社，1999.

［2］闫少宏，富强.综放开采顶煤顶板活动规律的研究与应用［M］.北京:煤炭工业出版社，2003.

［3］何风强，李宏，王东攀，四柱放顶煤液压支架立柱受力不均衡规律及机理研究［J］.煤矿开采，2012，17(6) : 35－37.

［4］马端志.四柱支撑掩护式放顶煤液压支架支护性能分析［J］.煤矿开采，2010，15(5) : 66－68.

［责任编辑:徐亚军］

Supporting Ability of 4-prop Powered Support for Top-coal Caving

WANG Biao-mou1，2，GAO Su-ying3，DU Zhong-xiao1，2

(1.Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;
2.Coal Mining＆Designing Research Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China;
3.Beijing Zhongmei Mine Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract:4-prop powered support with hinged top-beam for top-coal caving was widely used in coal mines，but its small supporting force of top-beam end，complex top-beam structure and bad closure usually resulted into coal-wall slide and roof fall.Applying whole top-beam technology to improving supporting force of top-beam could effectively prevent coal-wall slide and roof fall，but this would form unbalanced force between front prop and rear prop and even result into support crushing.Theoretical analysis and practice showed that special equipment lectotype and optimized powered support design for coal-seam condition was necessary.When selecting 4-prop powered support with whole top-beam for top-coal caving，it was suggested that its rated working resistance should be 1.4～1.6 time larger than that of common powered support with hinged top-beam.

Keywords:4-prop powered support for top-coal caving; hinged top-beam; whole top beam; working resistance

［作者简介］王彪谋(1963－)，男，甘肃民勤人，研究员，现任开采装备技术研究所副所长，从事综采工作面总体配套和液压支架设计研

［基金项目］2013国有资本金项目:大型煤矿综放开采支架研究(ZDJS－2010KCSJ－1－2－2)

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.008

［收稿日期］2014－06－11

［中图分类号］TD355.41

［文献标识码］A

［文章编号］1006-6225 (2015) 02-0027-03