煤矿大采高工作面液压支架选型分析

姚一龙，钟祥熙，高小虎

(陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安 727307)

0 引言

大采高是矿井厚煤层开采应用最为广泛的方式，由于采煤方法的不同，支架的选取也不同，进而影响采煤工作面的生产环境。尤其是深部开采的大采高工作面，良好的支架性能是安全生产的重中之重。我国大采高大约20世纪90年代在宁东矿区、神华集团神东分公司等矿区试验应用[1]，并取得良好的效果。

我国大采高综采技术与装备的发展现状及趋势表明，一次采全高液压支架具有无可替代的优势，也是未来厚煤层开采的必然趋势[2]。近年来，大采高工作面顶板断裂关键块的稳定性[3]、采煤工作面覆岩结构特征、运动规律研究[4-6]、工作面矿压显现规律研究[7-8]等得到了长足的发展。大采高工作面与支架组成了“顶-支-底”的动态控架结构，支架的工作状态及承载性为动态工作面形成稳定的空间。目前针对深部大采高特定条件下支架分析较少，通过地质普查、理论分析提出支护方式和设备选型，利用三维数值计算及力学分析验证所选设备的安全性和实用性，并在生产实践中得到验证，从而保证安全、均衡开采。

1 工程背景

1.1 井田特征

陕西黄陵二号煤矿于黄龙矿区中部，黄陵矿区西北部，是典型的瓦斯油型气共生矿井和智能化生产矿井[9-11]，是国家批建的14个大型煤炭生产基地的主要生产矿井之一，是陕煤集团所属主要优质动力煤产地之一。该矿地质构造为一倾向北西—北西西的单斜构造，煤层倾角一般1°～5°。整个井田被延安组呈单斜构造将井田一分为二，其一位于井田西部，长约28 km，宽约3.5 km，幅度20～30 m；其二位于井田中部，长约34 km，宽约2.6～5 km。

1.2 围岩特性

矿井初期普查勘探结果表明：二号井四盘区2号煤层，地表标高在+1 157～+1 364 m，井下标高在+711～+732 m，平均埋深约550 m；工作面及附近钻孔揭露的煤层厚度最大7.09 m，最小5.1 m，平均约为6.1 m。四盘区各工作面煤层上覆岩层依次为细砂岩、粉砂岩、细砂岩、粉砂岩的叠加，煤层赋存条件如图1所示。煤层顶、底板围岩特征见表1。

表1 煤层顶底板特性

随着工作面回采，煤岩内部应力及储能在时间和开采位置的不断变化下，不断卸压与移动，使围岩裂隙发育更加充分，易造成工作面漏顶掉矸、煤壁片帮等矿压显现现象。

1.3 生产条件

目前四盘区为单翼开采，各工作面走向长度×倾斜长度约为2 632 m×300 m，共布置175台支架。煤层属稳定-较稳定煤层，采煤法选用长壁后退式一次采全高模式，全部垮落法管理采空区顶板。

针对二号井2号煤层开采环境与煤层赋存特征的全面调查分析，为后续大采高均衡、持续与快速经济开采模式、确定关键回采装备合理选型，以及安全开采奠定了坚实的地质基础。

2 支架力学特性分析

2.1 支架与围岩相互作用关系

支架运动与围岩的互作用是一种双馈动力学的过程[12]。大采高工作面给其顶板运动带来了较大的空间，使得顶板的悬臂长度、回转角度和断裂释放能量的程度增加，支架承受的破断顶板大范围运动带来的动载，易导致支架倒架、压架等现象。深部大采高液压支架的初撑力必须满足调节顶板、煤壁剪切破坏、支架水平抗推翻结构和承载力，适应顶板大尺度回转运动对支架稳定性影响的双重调节机制。

因此根据煤层及覆岩特点，选用工作阻力高的二柱掩护式支架。该支架能适用于顶、底板是中等稳定的长壁工作面。初步得出液压支架的中心距为1 750 mm。

2.2 支架高度确定

支架支护高度确定如下式所示。

最大高度：Hmax≥Mmax+S1

(1)

式中，Mmax—设计工作面最大高度，6.0 m；S1—伪顶冒落高度，0.20 m。

最小高度：Hmin≤Mmin-S2

(2)

式中，Mmin—设计工作面最低高度，3.20 m；S2—顶板最大下移量和支架前移的最小可缩量，0.25 m。

由上述计算得出，支架最大伸长高度为6.20 m，最小收缩高度为2.95 m左右。

2.3 支架支护强度的校验

支架支护强度计算公式为

P=(6～8)×M×γ

(3)

式中，P—支架支护强度，t/m2；M—采高，取6.0 m；γ—顶板岩石密度，取2.5 t/m3。

经计算液压支架的支护强度为：90～120 t/m2。由此可知支架额定工作阻力在9 000～12 000 kN之间，支架初撑力大约为60.0%～85.0%的额定工作阻力，则初撑力在6 000～9 350 kN之间。

由上可知，二号井2号煤层大采高工作面液压支架确定为架型是二柱掩护式支架，支撑高度2.8～6.2 m，支护强度不小于12 000 kN，支架中心距为1 750 mm。结合国内、外高产高效工作面经验，回采工作面的支架顶梁要求采用整体刚性结构，不使用铰接顶梁，以使掩护式支架具有结构简单、操作方便、造价较低、便于维修的特点。支架前梁的护帮板为一级、二级2个，支架底座带有千斤顶的刚性底座。最终选用的掩护式液压支架型号为ZY12000/28/63D。

3 支架参数优化

3.1 数值模型计算及荷载约束

在深部、大采高等条件下，回采过程中采高大、支架重心高，容易造成支架不稳定与可靠性低的难题。为确保支架主要部件满足在工作过程中的受力，通过上述结论利用力学特性分析对支架进行三维数值计算，如图2所示。对ZY12000/28/63D型掩护式液压支架进行力学变化分析。

受顶板在顶梁上均布载荷，给模拟支架前、后端分别施加P1(1.56 MPa)，P2(6.36 MPa)的力，支座底面全部约束，约等于支架工作压力(12 000 kN)。假定倾斜顶板对支架产生的力沿重力方向，当顶板压力逐渐增大，直至支架立柱到达额定载荷，安全阀开启。立柱的支撑力为顶板压力，支架所受合力作用点可能要偏出支架下边沿，将会导致支架歪斜、倾倒。

根据力矩极限平衡要求，底板反力作用点在O点处，如公式(4)(5)所示。

(4)

b=(B/2)cosα-csinα

(5)

从式(5)可看出b与α成反比。支架稳定性高是因为支架底座越宽，其适应性越强。

3.2 应力与位移计算

采动影响下的工作面的支承压力分布情况，如图3所示。

A-减压区；B-增压区；C-稳压区；D-极限平衡区；E-弹性区

通过Analysis system理论分析，对各构件的位移与应力结果如图4～7所示。

在正常支护时，结合图4支承压力分析：工作面前上方应力大，导致端头位移量最大(95.41 mm)；位移沿着与端头链接的顶梁依次减少，与液压柱连接处有少量位移(10.6 mm)。四连杆和底座处于稳定状态。

图4 位移分布

移架过程中，除底座外其余均产生位移。顶梁端头处的位移量最大，为14.88 mm；四连杆位移量少，为1.653 mm。总体上呈现由上到下，依次减少，底座无位移，如图5所示。

图5 移架时位移分布

由图6可知，顶梁与下部连接处所受的力最大，为592.5 MPa。顶梁一直处于支护状态，上部均有受力；距连接处的间距越远，受力越小，最小为22.15 MPa。

图6 顶梁等效应力布

图7与图6基本相似，连接上下构件受力最大，中部最小。由于受力方向不同，上部的受力内侧向上，最大137.8 MPa；下部与上部相反(内侧向下)，最大受力为126.9 MPa。

图7 连杆的应力分布

由此得出，在与煤层接触地方位移量大且构件连接处受力大。综上所述，该支架具有稳定性、可靠性，且该支架满足实际工作需要，满足安全生产。

4 应用效果

二号井四盘区418工作面选用的ZY12000/28/63D型掩护式液压支架，采用电液阀控制移架。利用PM35电液控制系统监测大采高支架运行情况，其中85架运行情况，如图8所示。

上部-工作阻力；下部-初撑力

由图可知，生产期间85#支架工作阻力在495～923 kN之间，初撑力在268～460 kN之间。工作阻力普遍在700～800 kN之间，平均工作阻力约700 kN。连续监测的8457次的过程中，工作阻力多次出现波峰变化。初撑力普遍在350～400 kN之间，平均初撑力约为365 kN。

随着工作面的连续回采，支架来压期间的工作阻力与工作面推进距离关系，如图9所示。

图9 支架工作阻力与工作面推进关系

在推进到18 m时工作阻力最小，为9 473 kN；推进到130 m时工作阻力最大，为11 608 kN。随着推采距离的加大，工作阻力越大并趋于12 000 kN。

监测结果表明：12 000 kN的支架阻力能满足二号井开采与顶板管理要求，由此表明二号煤矿大采高支架的关键参数符合现场开采条件。开采实践证明，ZY12000/28/63D型掩护式液压支架能够满足生产需求，能最大限度地提高资源回收率，实现矿井安全平稳生产。

5 结论

通过围岩特性及理论计算，确定出支架为掩护式液压支架，参数为ZY12000/28/63D。依据数值计算可知，支架顶梁及护帮板受力最大，其次为支架各连接构件。ZY12000/28/63D型掩护式液压支架能够满足安全生产必须的工作阻力、周期来压、支撑力等，能够保证矿井正常生产和平稳发展。