浅埋煤层链悬拼梁式液压支架应用研究

麻清林

（山西新景矿煤业有限公司调度室， 山西 阳泉 045000）

引言

目标井田地表主要为第四系黄土，井田地层由上至下分别为第三系上统三趾马组、侏罗系中统延安组、侏罗系下统富县组及三迭系上统永坪组。矿区走向为北东方向，倾向方向为西北方向，煤层倾角小于5°，地质构造类型为单斜构造，整体地层结构不存在较大的断层及褶皱，构造结构简单。

整个井田范围内可采煤层为3层，煤层呈圆形均匀分布于矿井的西南区域及中间区域，煤层厚度为2m，整个煤层自西向东逐渐变薄。试验所选取的煤层为2号煤层，此煤层属于结构较为简单的中厚煤层，煤层厚度在2.2～2.5m之间，煤层平均厚度为2.3m。此煤层目前的开采方式为间歇式开采，存在支架支护不稳定及工作面位置不固定等问题。本研究选用链悬拼梁式液压支架全部垮落法处理煤层，同时在开采过程中配合使用强制放顶，目的在于提高采出率，因此需要对支架的支护强度进行较为详细的研究[1]。

1 模型建立

1.1 模型建立

试验选取的模型根据相似模拟实验的要求进行搭建，模型以沙土为搭建骨料，碳酸钙及石膏为黏结材料，将两者均匀混合后通过水混合备用，混合后的材料分层铺设于模型中，每层间添加云母粉模拟各层的分界。实验选取的模型架宽度为0.2m，长度为5m。建立的模型如图1所示。

1.2 模拟结果

模拟结果显示，在工作面推进过程中，工作面推进180m的过程中，共出现9次周期来压的情况，其中每次来压的平均步距为13.2m；而在强制放顶的情况下，工作面在推进165m的过程中共出现6此周期来压的情况，单次来压的平均步距为15.7m。周期来压增载系数在正常开采情况下为2.33，强制放顶情况下仅为1.41。在进行试验的过程中，正常开采时，由于工作面顶板的动载系数较大，支架容易出现被压死的情况，从而导致支架达不到支护所需的强度值；而在强制放顶的工况条件下，由于支架的动载系数小，因此在发生周期来压时不会出现切顶的情况，结果表明，合理的顶板控制措施能够有效防止顶板出现冒落等安全事故[2]。

图1 实验模型图

2 链悬拼梁式液压支架现场应用

根据相似模拟的实验结果，结合该煤矿的煤层赋存情况及地质条件，通过分析各类支护机械设备的性能，最终选择链悬式液压支架完成工作面的支护工作，顶板处理方式为一次采全高垮落法。支架的结构组成：支架支护高度为1.6～4.0m，支架的宽度为1.2m，支架顶梁长为3.1m，各支柱的中心距离为1.2m，支架自身的支护阻力为4 000 kN，初撑力为3 500 kN。

此液压支架的具体特征包含以下几个方面：

1）支架可以在短时间内满足初撑力的要求。支架支柱的中心距离为1.2m时，以相邻的支架作为移架的支点，支架的前移通过链条的悬吊实现，每次换链完成一次过断层。这一移架措施是保障支架中所有支柱达到初撑力的关键[3]。

2）在支护过程中，顶梁被划分为两个大小不等的区域，其中，具有大支护阻力的顶梁支撑在小顶梁上，支护阻力较小的普通支柱支护在大顶梁下，有效解决了目前支护工作中存在的顶板管理困难的问题。

3）闭锁功能。支架顶梁的周围均安装配备特定阀的油缸，当支架出现顶空的情况或支柱卸载时，支架仍能承受较大的水平力。同时，当支架处于采高较大及倾角较大的情况下，仍能够保持较好的稳定性。

4）调整位置[4]。此类型支架本身安装有调架装置，在支架的推移过程中可以通过调整操作支架实现支架移动方向的改变，当在倾角较大的工作面时，可以将支架横向安装，有效避免了调整所需时间及支架向下移动拥挤的问题[5]。

3 工程应用

为验证支架的适应性，选取2号煤层某工作面作为实验工作面，工作面煤层平均厚度为2.3m。顶板的处理方式为全部垮落法，选取的支架类型为链悬拼梁型液压支架，采煤方法为炮采。试验工作面长度为85m，工作面沿走向方向推进，持续推进长度为700m。整个工作面共设置60台液压支架，液压支架的具体型号为ZH4000/17型，放顶方式为强制放顶。强制放顶分别在15m、20m、40m三个位置进行，当顶板不出现周期来压现象时，在50m处进行第四次强制放顶，85m长的工作面共设置5组密集深孔，每组包含三个孔，各孔的仰角分别为30°、60°、80°，孔深分别为 10m、13m、15m，强制放顶结束后工作面出现初次来压。

从50m采位开始，位于工作面中间部位的顶板随着液压支架的移架逐渐自行垮落，每移动两次支架完成一次顶板的垮落，垮落的高度在5～8m之间。但在一般生产条件下，悬露顶板长度一般不超过3m。因此，关于顶板的处理方式大多选用打钻孔强制放顶，每移动5次支架进行一次放顶操作，同时在顶板钻采2～3个深度为10 m左右，倾斜角度为30°左右的钻孔。

试验工作面整个推进过程流畅，煤炭的采出率可达90%，工作过程中单台液压支架的最大工作阻力为1 700 kN，此阻力值相当于支架额定工作阻力的41%，此阻力值出现在工作面60m处。当顶板出现初次来压时，支架的压力显现值为3 600 kN，排除强制放顶对各别位置支架阻力影响外，其余各支架的最大工作阻力均未超过其最大值。其中，整个工作面内的平均工作阻力为1 500 kN，仅为额定工作阻力的35%，工作面中最大工作阻力为2 800 kN，为额定工作阻力的68%，且当工作面推进至65m位置时才出现初次来压。试验结果表明，此类型液压支架配合使用强制放顶，在顶板出现周期来压时能够稳定运行，有效承受初次来压的冲击，能够有效满足工作面支撑要求。

4 结论

1）相似模拟试验结果表明，当工作处理顶板的处理方式为强制放顶时，液压支架的支护强度降低。

2）链悬拼梁式液压支架能够有效完成支护过程中的锁架、调架及柔性连接等功能，同时，配合强制放顶之后，这一支架类型能够有效满足浅煤层的开采要求。

3）链悬拼梁式液压支架在试验工作面的成功应用，有效提高了工作面采出率，同时有效改善了工作面的顶板支护情况，为进一步改善工作面的支护方式提供了理论及实践指导。