国源煤矿两柱掩护式放顶煤支架的适应性研究

殷培东

摘要：针对厚煤煤层综放工作面支架与围岩动载失稳、架前煤壁片帮等问题，基于国源煤矿开采特厚煤层中首次应用ZFY18000/28/53D型两柱掩护式放顶煤液压支架，通过建立“四位一体”的评价指标体系对该支架架型的适应性进行研究，即从支架结构、承受载荷、平衡千斤顶和现场应用四方面对支架的适应性进行研究。研究结果表明：ZFY18000/28/53D型两柱掩护式放顶煤液压支架结构适应国源煤矿该综放工作面生产要求；经现场实测，61601综放工作面周期来压步距平均为19.5m，动载系数为1.63，工作面液压支架的实际工作阻力为额定工作阻力的82.2%，即14800kN；周期来压期间工作面架前冒顶高度为0mm～600mm，移架速度平均为9.8s/架。经评价认为，ZFY18000/28/53D型两柱掩护式放顶煤支架在国源煤矿综放工作面具有良好的适应性。

关键词：两柱掩护式放顶煤支架；“四位一体”的评价指标体系；综放面；适应性

我国高产高效开采的特厚煤层矿井主要赋存于晋、陕、蒙地区，资源储量约占35%，这些资源不仅埋藏浅，而且赋存稳定，硬度大，因此可优先选用放顶煤开采方法[1-2]。该种采煤方法就必须选用合适的液压支架，目前两柱掩护式放顶煤支架已经成为我国学者研究的重要课题[3-4]。

于20世纪80年代提出了液压支架与围岩位移关系方程式的“传递岩梁”力学模型，并据此研发出与围岩相适应的两柱掩护式放顶煤支架[5-8]；应用岩梁模型研究了两柱掩护式放顶煤支架支护强度，从而确定了該液压支架的承载特性及其适应性[9]；针对两柱掩护式支架在放顶煤工作面出现的支架—围岩状态恶化的情况，对平衡千斤顶在放顶煤两柱掩护支架适应性的作用进行了探讨[10]。

然而在实际生产中对两柱掩护式放顶煤支架的适应性未形成系统的评价体系。本文采用理论分析、计算、现场实测等方法形成了“四位一体”评价体系，并对国源煤矿特厚煤层首采工作面首次使用的ZFY18000/28/53D型两柱掩护式放顶煤支架进行适应性研究。为今后类似条件下其他工作面的高效开采提供指导和借鉴。

1.工作面概况

61601综放工作面位于61盘区东侧北翼，是国源煤矿首采工作面。61601工作面标高847.00m～854.40m，埋藏深度346.1m～427.8m，工作面走向长度为254.6m，推进长度615m。61601综放工作面开采6号煤层，为黑色长焰煤，煤层厚度平均为23.83m，属于特厚煤层，煤层倾角平均为2.75°，属于近水平煤层，煤层普氏硬度系数f=1.0～2.0。煤层顶底板情况见表1。

61601工作面采用走向长壁后退式全部垮落采煤法，采高5.1m，放煤高度18.73m。根据现场生产的需要，在61601综放工作面布置了119架ZFY18000/28/53D型两柱掩护式放顶煤支架。

2.两柱掩护式放顶煤支架适应性分析

2.1“四位一体”的评价指标体系

两柱掩护式放顶煤支架在国内外综放工作面有着广泛的使用。而对两柱掩护式放顶煤支架来说，为综放工作面提供一个安全的生产环境是评价该支架适应性的关键。因此，从支架结构、支架承受载荷、平衡千斤顶和现场应用四方面建立了两柱掩护式放顶煤支架“四位一体”的评价指标体系。从而判断ZFY18000/28/53D型两柱掩护式放顶煤支架在国源煤矿61601综放工作面的适应性。

2.2两柱掩护式放顶煤支架结构的适应性

支架的结构是工作面选用支架之前首要考虑的关键因素之一，国源煤矿结合61601工作面地质特征首次研制并使用了ZFY18000/28/53D型两柱掩护式放顶煤支架，结构如图1所示。

该支架架型采用单排立柱高工作阻力、1个缸径为φ280mm的平衡千斤顶、能够适应现场放煤要求的放煤机构、连杆机构和电液、手动双操纵系统。因此该支架结构适应国源煤矿生产需要。

通过实测数据分析可知，掩护梁上的载荷并不是始终不变的，尤其当掩护梁坡度比较小，而顶板周期来压又比较剧烈时，更易于使掩护梁上的W增大。

国源煤矿61601综放工作面采用玛柯矿上压力监测系统对支架工作阻力进行连续观测，61601工作面初次来压步距为50m，6601工作面周期来压步距平均为19.5m，动载系数为1.63。

据统计，周期来压期间61601工作面高压力区主要集中在工作面中部，支架的工作阻力为11000kN～16000kN，平均为14800kN，为该支架额定工作阻力的82.2%。经评价，ZFY18000/28/53D型两柱掩护式放顶煤支架的工作阻力能适应综放工作面顶板的冲击载荷。

2.4支架平衡千斤顶的适应性

ZFY18000/28/53D型两柱掩护式放顶煤支架中平衡千斤顶的油缸直径为280mm，杆径185mm，推力和拉力分别是1940kN、1093kN。

据统计平衡千斤顶工作阻力在0kN～500kN区间内的占60%左右，平衡千斤顶未承受太大的作用力，表明通过调节平衡千斤顶，可以使两柱掩护式放顶煤支架适应顶板动态载荷的分布，提高该支架对围岩的适应性。

2.5支架现场应用的适应性

2.5.1支架端面控顶效果

据现场实测，国源煤矿61601综放工作面正常生产期间，架前冒顶高度的分布规律如图5所示。61601综放工作面支架前冒顶高度主要为0mm～600mm内。因此针对61601综放工作面架前冒顶需加强矿压监测，保证支架初撑力达到30MPa，割煤移架期间根据架前冒顶状况可采取超前带压移架，减少架前冒顶状况。

2.5.2支架现场应用

（1）支架额定工作阻力。据《煤矿用液压支架立柱和千斤顶技术条件》规定：工作面液压支架在承受顶板动载冲击时，要求液压支架立柱压力应在30ms内达到1.5倍额定工作压力，支架承受的最大动载荷应大于1.5倍的静载荷。

根据矿压监测数据显示：工作面来压期间，液压支架承受顶板动载冲击时，支架阻力的最大值为19800kN。因此要求工作面支架的额定工作阻力不得小于13200kN，而ZFY18000/28/53D型两柱掩护式放顶煤支架设计的额定工作阻力为18000kN。经评价，支架的支护能力满足61601工作面顶板支护要求。

（2）移架时间。经实测，ZFY18000/28/53D型两柱掩护式放顶煤支架在电液控制系统控制下，该支架移架速度平均为9.8s/架，而采用手动液压控制进行支架移架时，该支架移架速度平均为13.2s/架。因此采用电液控制系统明显提高了移架速度，提高了工作面两柱掩护式放顶煤支架利用率和回采效率。

3.结论

两柱掩护式放顶煤支架是在综采放顶煤技术广泛实践应用的基础上，采用四位一体的评价指标体系，对ZFY18000/28/53D两柱掩护式放顶煤支架的适用性进行了研究，得到以下主要结论：（1）ZFY18000/28/53D型两柱掩护式放顶煤支架结构适应国源煤矿综放工作面的生产需要。（2）基于理论分析和现场应用可知，ZFY18000/28/53D型两柱掩护式放顶煤支架的支护能力满足国源煤矿61601综放工作面顶板支护要求。（3）实测分析通过调节平衡千斤顶适应支架承受的载荷，支架整体的受力状态良好。（4）现场应用表明，国源煤矿61601工作面在正常推进阶段，两柱掩护式放顶煤支架位态稳定，支撑能力强，架前冒顶高度小于600mm，需采取超前带压移架，减少架前冒顶状况。（5）ZFY18000/28/53D型两柱掩护式放顶煤支架设计支护能力满足工作面顶板的支护要求；从支架的移架时间看，保证电液控制系统的可靠性有利于提高工作面支架利用率和回采效率。

综上所述，从ZFY18000/28/53D型两柱掩护式放顶煤支架实际生产应用中来看，该支架适应于国源煤矿综放工作面的地质条件，为今后类似条件下其他工作面的高效开采提供参考依据。

参考文献：

[1]孟宪锐，王鸿鹏，刘朝晖.我国厚煤层开采方法的选择原则与发展现状[J].煤炭科学技术， 2009（1）： 39-44.

[2]宋洪柱.中国煤炭资源分布特征与勘查开发前景研究[D].中国地质大学（北京）， 2013.

[3]钱鸣高，刘双跃.两柱支掩式支架适应性研究[J].中国矿业学院学报， 1985（03）： 6-16.

[4]张宁波，刘长友，于文海，等.两柱掩护式综放支架对端面顶煤稳定性的控制作用[J].煤炭工程， 2011， 1（3）： 31-34.

[5]宋振骐，蒋金泉.煤矿岩层控制的研究重点与方向[J].岩石力学与工程学报， 1996， 15（2）： 128-134.

[6]王国法，庞义辉.液压支架与围岩耦合关系及应用[J].煤炭学报， 2015， 40（01）： 30-34.

[7]王国法，庞义辉.基于支架与围岩耦合关系的支架适应性评价方法[J].煤炭学报， 2016， 41（06）： 1348-1353.

[8]王家臣，王蕾，郭尧.基于顶板与煤壁控制的支架阻力的确定[J].煤炭学报， 2014， 39（8）： 1619-1624.

[9]徐亚军，王国法，刘业献.两柱掩护式液压支架承载特性及其适应性研究[J].煤炭學报， 2016， 41（08）： 2113-2120.

[10]杨培举，刘长友，韩纪志，刘奎.平衡千斤顶对放顶煤两柱掩护支架适应性的作用[J].采矿与安全工程学报， 2007（03）： 278-282.

[11]钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M].中国矿业大学出版社， 2010.

[12]钱鸣高.采场上覆岩层岩体结构模型及其应用[J].中国矿业大学学报， 1982（2）： 6-16.

[13]杨培举.两柱掩护式放顶煤支架与围岩关系及适应性研究[D].2009.