那精煤矿大采高大倾角液压支架选型设计

李昭荣

【摘 要】针对广西百色百矿集团有限公司都安县那精煤矿大倾角煤层赋存情况，文章通过对大倾角煤层赋存条件的适应性分析，对大倾角综采工作面液压支架的主要结构进行选型设计，并对液压支架的支护强度进行了理论计算，确定了支架的主要参数和结构类型，确定了大倾角液压支架的防倒、防滑及安全防护措施，为国内类似煤层条件下的液压支架选型设计提供了依据。

【关键词】液压支架；选型设计；支护强度

【中图分类号】TD823 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）09-0050-04

0 引言

随着煤矿开采技术的发展，35°以下倾角的薄煤层及中厚煤层综采技术已经得到长足的发展，并不断创出新的高产高效记录。而对于大倾角（35°～45°）的厚煤层如何实现安全、高效地开采一直是困扰许多矿区发展的技术难题。

工作面支护是大倾角厚煤层综合机械化开采的最大难题，液压支架是实现大倾角厚煤层综采的关键设备。其难点表现在以下方面：支架处于自然失稳状态、极易倾倒下滑、顶底板难以控制、移架困难、支架外载复杂、工况恶劣、安全性与可靠性难以保障。因此，其可靠性和适应性是决定综采工作面能否实现安全高效生产的关键。工作人员需要根据工作面地质条件、矿山压力、煤层赋存情况及通风、安全要求，确定液压支架的架型、支护强度、工作阻力等重要参数和防倒防滑等安全措施。

1 那精煤矿101工作面概况

都安县那精煤矿101首采工作面位于三煤层，倾角为14°～30°，平均为24°，煤层全长约6 km，倾向斜深约1 300 m，煤层纯厚度为1.40～5.10 m，平均厚为3.1 m。最大埋深为478 m。工作面顶板为灰黑色燧石灰岩或炭质灰，硬度>8。底板为白色燧石灰岩，内夹石灰岩硬度>8。

三煤层呈层状产出，煤层中夹矸量较多，结构较复杂，一般为0～5层，局部可达8层，夹矸呈层状，其单层厚度以0～20 cm居多；局部厚度达1 m左右，夹矸主要为炭质页岩，局部为薄层燧石层和炭质灰岩。目前揭露的煤层，夹矸为0～80 cm，硬度>8。

该矿井煤尘无爆炸危险性，煤炭自燃倾向性为三类：不易自燃。

2 液压支架与煤层赋存条件适应性分析

2.1 支架对顶板支护的适应性

101工作面顶板为隧石灰岩或石灰岩，顶板岩性较好，属中等稳定顶板，在掘进过程中，顶板稳定性较好，不易冒落，在回采中需要注意顶板周期来压情况。三煤层属于中硬煤，煤质的硬度适中，在井下掘进过程中，有片帮现象存在，因此支架需要设置伸缩梁加护帮板结构。

2.2 煤层倾角大，属于大倾角煤层

矿井内所有煤层均属于大倾角煤层，综采设备在使用中需要注意自然下滑和倾倒的现象，所有设备都需要设置防倒防滑装置。对大倾角综采工作面，支架的防倒防滑是极为重要的，将采取包括工作面基本架防倒防滑、排头支架防倒防滑、排尾支架防倒防滑等有效措施，确保支架不倒不滑。

2.3 刮板输送机、支架对底板的适应性

直接底为燧石灰岩，属中硬底板，有较强的抗压能力，预计支架使用过程中不会产生扎底现象，但支架采高较大，为加快推移速度，并避免扎底现象，需设置抬底机构。但与广西百色百矿集团有限公司各煤矿现有使用习惯不同，需要改变工人的操作习惯。

3 液压支架结构与参数设计

3.1 液压支架架型选择

液压支架架型的选择直接关系综采工作面成套设备的有效发挥和可靠性。国内大采高液压支架主要有2种架型：①四柱支撑掩护式支架：四柱直立支撑，支护效率高；控顶空间大，构件较长，支架调高范围略小，重量较重；适应于稳定以上顶板。②雙柱掩护式支架：两柱斜撑，调高范围大；支撑合力靠前，适应稳定以下顶板；平衡千斤顶有适应顶板压力变化、改变合力作用点的功能；结构相对紧凑、简单；重量和费用比支撑掩护支架少15%～20%。

根据那精煤矿的煤层顶板属稳定顶板、周期来压较明显的老顶条件，选择双柱掩护式液压支架。

3.2 液压支架高度确定

为适应煤层厚度变化，保证支架发挥正常支护作用，按煤炭行业标准《液压支架设计规范》（MT/T556—1996）

的规定选取支架的最大结构高度。

选取本型液压支架结构高度为1.8～4.1 m，支架调高范围较大，适应煤层厚度的变化，以便提高煤炭的回收率，并减少割顶、底板岩石的量，减少煤炭的含矸量。

3.3 液压支架合理工作阻力的确定

3.3.1 确定液压支架合理支护强度的原则

（1）能够对工作面围岩进行有效控制，实现综采工作面的安全生产。

（2）在一定的时间内，能够维护工作面支架与围岩关系的相对稳定，保证综采工作面顶板在初次来压和周期来压时，液压支架立柱有一定的下缩量。

（3）能够保证支架对顶板有一定的“初撑力”，避免煤壁不因超前压力显现出现片帮、冒顶的现象。

3.3.2 用顶板分类法确定支护强度

通过对国内同类综采工作面顶板资料进行分类和比较，可知三煤层直接顶属于3类稳定顶板，基本顶为Ⅲ级顶板，属来压强烈顶板，其初次来压最大步距为63.5 m，周期来压最大步距为26 m。

根据《缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类》标准中基本顶为Ⅲ级顶板，必需的支护强度按公式（1）计算。

额定支护强度下限值计算公式：

Ps=72.3hm+4.5Lp+78.9Bc-10.24N-62.1（1）

式中，Ps为额定支护强度下限，kN/m2；hm为采高，m；Lp为基本顶周期来压步距（结合理论分析和实际观测，取25 m），m；Bc为控顶宽度（其值为梁端距加上顶梁长度），m；N为直接顶充填系数，N=hi/hm ；hi为直接顶厚度，m。根据煤层赋存条件，将各参数代入式（1）如下：

Ps=72.3hm+4.5Lp+78.9Bc-10.24N-62.1=72.3×3.9+4.5×25+78.9×4.2-10.24（7.23/3.9）-62.1=644 kN/m2

3.3.3 支护强度的选择与确定

根据以上分析，为保证有一定的支护强度，考虑设备适用性、可靠性、经济合理性等因素，综合确定三煤层101工作面液压支架最小支护强度为0.644 Pa。

3.3.4 液压支架工作阻力的选择与确定

工作面液压支架工作阻力的确定，是液压支架主要参数选择重点之一，其目的是使工作面岩层控制在达到最优的技术经济效果的前提下，保证支架工作的高可靠性和较高的适应性。考虑101工作面顶板完整性较好，不易冒落，因此备用系数按最高选取。

根据式（1）确定的支护强度，工作阻力的確定如式（2）所示。

F=Ks·Ps（Sc·Bc）/η（2）

式中，F为液压支架工作阻力，kN；Ks为安全系数；Ps为额定支护强度下限，kN/m2；Sc为液压支架中心距，m；Bc为控顶宽度（其值为梁端距加上顶梁长度），m；η为液压支架的支撑效率。

将各项参数代入式（2）如下：

F=Ks·Ps（Sc·Bc）/η=1.2×644×1.5×4.2÷0.95=5 124 kN

根据以上计算，支架的最低工作阻力为5 124 kN。考虑在1.5 m中心距条件下，需选用缸径为280 mm的立柱，为充分发挥立柱的效能，保证液压支架有更高的可靠性，安全阀的开启压力设定为42.2 MPa，即液压支架的工作阻力确定为5 200 kN。

3.4 ZY5200/18/41型液压支架主要技术参数

根据以上分析，确定三煤层101工作面支架型号为ZY5200/18/41型液压支架。该液压支架主要结构如图1所示，主要参数见表1。

3.5 支架的特点及关键技术措施

（1）顶梁为整体式，有如下优点：①顶梁前端上翘，缩短了第一接顶点到煤壁的距离，有利于顶板矿压的控制，减少片帮的发生；②结构简单，支架前部承载能力大，可以有效地控制顶板，减缓支架上方顶板压力向煤壁方向转移，从而减小片帮。

（2）液压支架设置伸缩梁结构，采煤机割煤后及时护住顶板，可以尽最大可能地减少伪顶的冒落量。

（3）通过结构优化，结构紧凑，尽量压缩支架的纵向断面，同时采用高强度钢板，有效地减轻了支架重量。

（4）为防止支架运行过程中出现“高射炮”现象或出现“高射炮”现象而损坏平衡千斤顶，本设计采取了如下技术措施：①加大平衡千斤顶的推、拉力，现选用2根Ф140/Ф85 mm千斤顶，能较好地调节顶梁受力作用点的位置，适应性强。②顶梁与掩护梁之间设有刚性限位装置，防止千斤顶被拉坏。

4 大倾角综采液压支架防倒、防滑措施

当支架支撑在顶底板之间，支架是不存在下滑问题的。支架出现倒架，大多是支架上方冒空，顶板局部失去完整性，上部顶板有向下移动空间，当顶板垮落时，这个倒向力的显现使支架倾倒。

4.1 支架防倒技术研究

如果支架的重心铅直线在支架底座内，支架是不会倾倒的，如果铅直线在底座外部，支架就会倾倒。根据101工作面所选液压支架中心距及采高，支架在倾角大于20°的工作面会出现倾倒。支架要加防倒装置，其主要措施如下。

（1）保证支架顶梁间没有间隙，使它没有倾倒的空间；支架侧护板千斤顶、侧推弹簧使支架顶梁相互靠紧，始终保持有足够的扶正力，防止倒架。

（2）在邻架顶梁间增设调架千斤顶，当支架出现倾倒时，以支撑顶板的相邻支架作支点，用千斤顶调整该支架位置（如图2所示）。

4.2 支架防滑技术研究

支架在前移过程中是否会下滑，关键是支架下滑力与支架摩擦力相互作用的结果。如果下滑力大于摩擦力，则支架下滑；反之，则不下滑。减少支架下滑有如下措施。

（1）将工作面布置为伪斜，减小工作面实际倾角。

（2）防止支架下滑的另一技术措施是推移杆全程导向，推移杆和底座间隙控制在15～20 mm（单侧）。推移杆在任意位置，推移杆和底座间间隙不变，控制运输机下滑。

（3）影响支架下滑的另一个重要因素是刮板运输机是否下滑，由于支架推移杆是和刮板运输机连在一起的，因此刮板运输机和支架连接的耳子控制支架位置。刮板运输机下滑必然带动支架下滑，同样刮板运输机上窜也带动支架上窜。因此，在综采工作面控制刮板运输机的位置也基本控制了支架的位置。

（4）相邻支架底座之间设置防滑千斤顶，以有初撑力的支架为支点，可以调整相邻支架的位置（如图3所示）。

（5）将刮板运输机和支架间设置防刮板运输机下滑装置，每隔5架1组，推移刮板运输机时，通过控制防滑千斤顶动作，牵动刮板运输机上移（如图4所示）。

5 结论

针对广西百色百矿集团有限公司那精煤矿101工作面煤层赋存情况，本文通过对液压支架与煤层赋存条件的适应性分析，对大倾角综采工作面液压支架进行选型设计。设计的ZY5200/18/41两柱掩护式液压支架通过在101工作面生产，取得了良好的使用效果。该液压支架具有节约成本、工艺简单、安全高效等优点。说明该支架方案选型101综采工作面的地质条件，并满足了那精煤矿的使用要求。该架型在贵州安顺市六枝特区六龙煤矿大倾角厚煤层综采工作面中也得到较好的应用，为国内类似煤层条件下的液压支架选型设计提供了依据。

参 考 文 献

[1]王国法.液压支架技术[M].北京：煤炭工业出版社，1999.

[2]王国法.高效综合机械化采煤成套装备技术[M].北京：中国矿业大学出版社，2008.

[3]李明忠.坚硬顶板条件下综采面设备选型及液压支架设计[J].煤矿开采，2010（4）.

[4]李明忠，李雪伟，胡万昌.极软厚煤层“抱采”放顶煤采煤法与液压支架设计研究[J].煤矿开采，2013（6）.

[5]MT 554—1996，缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类[S].

[责任编辑：钟声贤]