大倾角特厚煤层综放工作面液压支架选型设计

闫建军

（山西乡宁焦煤集团申南凹焦煤有限公司， 山西 临汾 042105）

引言

在三机选型方面，液压支架是选型的重点，而影响液压支架选型的因素有很多，最重要的是地质因素和开采技术因素。地质因素包括：顶底板岩性、煤层厚度及倾角和煤层赋存状况等。其中煤层倾角的影响较大，因为当煤层倾角大于25°时，工作面垮落矸石会向下形成不均匀充填特征，加之底板也会出现破坏滑移，共同作用引起工作面支护系统失稳；而且当倾角大于35°时，工作面各设备都会有不同程度的滑移，特别是液压支架极易发生下滑和倾倒状况。因此对于大倾角煤层走向长壁工作面而言，液压支架的选型与设计是“三机”配套的重中之重[1]。

1 工程背景

某矿为大型现代化机械矿井，矿井位于宁武县城西，生产能力为1.2Mt/年，井田内主要可采煤层为2号、5号两层煤，煤层平均角度为25°以上，局部地区达30°以上。本文针对5号煤进行支架选型，5号煤层厚度为8.46～16.84m，平均为13.78m，顶板多为细—中粒砂岩，局部为粗粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩和泥岩，底板多为砂质泥岩、泥岩和细粒砂岩，局部为粉砂岩，属坚硬顶板条件下的倾斜-缓倾斜煤层。根据设计所确定的采煤方法，5号煤采用综合机械化放顶煤开采。

2 工作面基本液压支架选型设计

2.1 基本液压支架形式的确定

该矿5号煤层采用走向长壁综采放顶煤开采采煤方法，煤层倾角为25°，煤层硬度系数0.8，煤层裂隙发育程度2类。根据工作面条件，液压支架应选用支撑掩护式架型，放煤方式适于选用低位放煤，工作面基本架选用正四连杆式，过渡架选用反四连杆式。

2.2 基本液压支架高度的确定

2.2.1 支架最大高度

式中：HZmax为支架最大支护高度，mm；

2.2.2 支架最小高度

式中：HZmin为工作面最小支护高度，mm；Mmin为工作面最小采高；S2为顶板下沉量，200mm；g为顶梁上、底座下的浮矸厚度，取50mm；e为移架时支架回缩量，取100mm。

根据以上各参数和不同采放比，计算液压支架的最大高度和最小高度[2]。

2.3 基本液压支架支护强度和工作阻力的确定

根据支架支护强度经验公式确定的结果，该矿5号煤层基本液压支架支护强度应不小于0.95MPa。

计算时一般支架采用1.5m中心距，大采高工作面支架中心距可采用1.75m。现分别对支架中心距1.5m和1.75m两种支架进行对比：

式中：P为支架工作阻力，kN；q为支架的支护强度，0.95 MPa；Lk为端面距取 0.3 m；Ld为顶梁长度取4.63/4.885m；B 为支架中心距，1.5/1.75m；Ks为支架支撑效率，1。

经计算支架中心距为1.5m和1.75m的两种支架工作阻力分别为7 025 kN和8 570 kN，查表分别选用ZF7800/19/38和ZF8600/19/38四柱支撑掩护式正四连杆大插板低位放顶煤液压支架。

2.3.1 ZF7800/19/38型放顶煤液压支架技术参数

该矿5号煤层工作面倾斜长度按150m考虑，普通支架采用中心距为1.5m，过渡支架采用中心距为1.75m，7架“头三尾四”布置方式，布置ZF7800/19/38型基本架93架。基本架技术参数详见下页表1。

2.3.2 ZF8600/19/38型放顶煤液压支架技术参数

该矿5号煤层工作面倾斜长度按150m考虑（煤壁对煤壁），采用中心距为1.5m的普通支架和中心距为1.75m的过渡支架，7架“头三尾四”布置方式，布置ZF8600/19/38型基本架80架。基本架技术参数详见表2，架型结构与ZF7800/19/38型支架除宽度不同外其余结构大致相同。

表1 ZF7800/19/38型基本液压支架结构参数

表2 ZF8600/19/38型基本液压支架结构参数

2.3.3 方案对比

在基本液压支架支护强度不小于0.95MPa的基础上，通过ZF7800/19/38型和ZF8600/19/38支架参数对比可看出：ZF7800/19/38型液压支架宽度小，稳定性差，质量较小，工作面咬架、倒架时调节方便，运输方便，但需要总架数多，工作面管理复杂；ZF8600/19/38型液压支架宽度大，稳定性好，质量大，工作面咬架、倒架时调节困难，运输不方便，但需要总架数少，工作面管理简单。综合考虑，对于基本支架，选用ZF7800/19/38型液压支架[3-4]。

3 工作面端头液压支架选型设计

由于大倾角工作面液压支架端头受力较为复杂，下端头又是大型设备交汇的地方，加之较厚的浮煤、浮矸导致其工作条件恶劣，且又是出煤部位，因此应重点对端头支架架型及结构参数进行优化设计。

经过分析对比，三架一组支护方式相对于两架一组支护方式，最大的优点是端头支架稳定性较好。因此端头支架选用三架一组支护方式，本端头移架方式为采两刀移一次架。

3.1 端头液压支架高度

根据工作面通风、行人、顶板管理、合理采放比及总体相关设备配套等要求，同时必须考虑大倾角工作面端头后部与下运输平巷交汇处三角区顶板（煤）的支护和便于顶板管理、及时移架，避免运输平巷与煤壁片帮和架前冒顶等情况，最终确定端头放顶煤液压支架高度为2 100～3 800mm[5]。

3.2 端头液压支架支护强度和工作阻力

根据总体设计配套的要求，考虑支护强度系数，确定液压支架的支护强度应不小于0.54MPa。支架的支护强度确定后，根据配套尺寸，确定支架的顶梁长度。端头支架支护基本是在顺槽里，可以不考虑控顶距Lk=0，确定支架的工作阻力：

式中：P为支架工作阻力，kN；q为支架的支护强度，0.54MPa；Lk为端面距，取 0；Ld为顶梁长度，取 10.75m；B为支架宽度，3.35m；

代入值可以得：P=19 447 kN，整靠标准系列取P=21 600 kN。因此，端头支架采用三架一组ZT21600/21/38型中置式放顶煤端头液压支架，端头支架结构参数详见表3。

表3 端头液压支架结构参数

4 工作面过渡液压支架选型设计

根据目前大倾角煤矿综放开采过渡液压支架选型结果以及调研资料，经过配套研究，过渡液压支架架型确定为反四连杆架型，支架高度为2 100～3 800 mm。过渡支架选用7架ZFG8600/21/38型放顶煤过渡液压支架，采用“头三尾四”布置方式，过渡支架结构参数详见表4。

表4 过渡液压支架结构参数

5 结论

通过理论计算类比等方法，最终确定：

1）基本液压支架选用ZF7800/19/38型液压支架；

2）端头液压支架采用三架一组ZT21600/21/38型中置式放顶煤端头液压支架；

3）过渡液压支架选用7架ZFG8600/21/38型放顶煤过渡液压支架，采用“头三尾四”布置方式。