煤层工作面综采机械化液压支架的选型

周世强

（晋能控股煤业集团临汾宏大胜利煤业有限公司，山西 临汾 041099）

引言

近年来，我国煤炭生产总量远超于美国等发达国家，成为第一煤炭生产大国[1]。虽然我国的煤炭生产总量占据优势，但在生产效率上还远远低于发达国家，这是由于我国的煤矿开采设备条件仍相对落后。目前，美国等国所使用的液压支架已将手动操作发展成为电液控制系统，并且可根据采煤机的运动方向以及位置，实现自动化可控，加快了液压支架的移架速度。除此以外，掩护式液压支架具有较好的密封性能，可防止工作面落入矸石。为实现高效采煤的生产理念，液压支架已向高支护强度（最大值已达1.1 MPa）、高支撑高度（4~5 m）、强工作阻力（高达104 kN）、宽中心距、机身轻便、使用寿命长以及稳定性高等方向发展。液压支架作为煤层工作面的核心设备，研究意义重大。

1 煤层工作面的概况

煤层工作面顶底板条件是选择液压支架架构重要的考虑因素，正确选择液压支架，不仅能够增加采煤产量，也能提高产煤效率。本部分主要分析测定煤层工作面底板的比压以及老顶的级别与直接顶的类别判定，初步选择液压支架的类型。

1.1 煤层工作面底板比压的测定

底板比压作为工作面选择液压支架的关键参数，表示顶板抗压入的强度。该值的测试方法主要包括现场测定和实验室两种测试方式，本文选择现场测定的方法，采用内注式底板比压仪（DBY型）可直接读出压入深度与底板比压的数值，并以压模压入值为横坐标和底板比压值为纵坐标绘制相关曲线图。

为保证所测底板比压值数据的准确性，需选择3个实验点进行数据分析，分别记录出压入深度与底板比压的数值并绘制相关曲线图，最终经统计分析得出底板比压平均值，即抗压入强度。具体读数间隔由初始的5 mm/次上升至每10~50 mm/次，该值随着压入速度变化情况随时调整。

本文以第一个测量点为例，采用比压仪记录数据值，如表1所示。

表1 煤层工作面的压入深度与底板比压的记录数值（1号测量点）

该测量站的有关底板比压的计算公式为（1）：

式中：qri表示当第i次压模压入时底板的比压值，MPa；qsi表示第i次压模压入时所采取仪器油缸的压力值，MPa；ds和dm分别为比压仪油缸的内径和压模直径，mm。

压入深度的计算公式为（2）：

式中：hi为第i次压入深度，mm；Hi为第i次所压入的深度测量值，mm；H0为仪器初次压入的测量值，mm。

以压模压入值为横坐标和底板比压值为纵坐标绘制相关曲线图，如图1所示，拐点处则可得出测量点1的底板比压值，测量点2和3也采用同样的测量计算方法得出相对应的比压值。测量点2底板比压值为22 MPa，对应高度为51 mm；测量点3底板比压值为26 MPa，对应高度为37 mm。

图1 底板比压与压入深度曲线图（1号测量点）

根据一些研究得出，当容许比压在16.2~32 MPa条件下，无明确优先选择的液压支架类型。经计算得出，该底板比压值为27.7 MPa,因此，该底板对于液压支架选型不限。

1.2 煤层工作面顶板类别的确定

不同煤层工作面的顶板，需采取不同类别的液压支架。本文首先确定出某煤矿的煤层工作面的顶板类别，包括老顶的级别与直接顶的类别，再根据国内外液压支架选型经验值[2-3]，最终初步完成液压支架的选型。

根据计算得出，煤层工作面老顶的强度计算为2.96 MPa，属于明显的老顶来压，为II级；直接顶的强度指标计算为3.2 MPa，判断该顶级为第2类别，属于中等稳定板。可参考得出此类型顶板应选择掩护式液压支架。

2 液压支架参数的计算

除选择出液压支架的架型之外，仍需要计算出煤层工作面液压支架的一些主要参数，包括液压支架的高度、初撑力和工作阻力等，其各项参数的计算公式如下所述。

2.1 液压支架高度H'：

式中：Mmax为煤层的最大高度，取2.6 m；S1为伪顶冒落的最大厚度，取0.2 m。将数值代入公式计算得H'max=2.8 m。

式中：Mmin为煤层的最小采高高度，取1 m；S2为顶板来压时最大的下沉量（包括顶梁的上下底座的浮煤、浮矸和支架的下移量的总和），取0.25 m。将数值代入公式计算得H'min=0.75 m。

2.2 工作阻力P

式中：q为支架的支护强度，取574 kN；b为支架的中心距，取1.5 m；L为顶梁长度，取3.822 m；C为煤壁与顶梁前端的距离，取0.4 m。

2.3 初撑力T

根据各项计算公式，可得出该煤层工作面液压支架的最小与最大采高高度分别为0.75 m和2.8 m；工作阻力为3 635 kN；该液压支架的支撑力依据直接顶确定为中等稳定板，此值应具有较高的支撑力，一般占工作阻力的80%，其值较接近于工作阻力为2 904 kN。

除此之外，推溜力和移架力也为液压支架的选型参数，推溜力大致为100~150 kN。移架力主要与顶板条件、支撑的高度以及支架结构等因素有关。按照煤层的薄、中、厚可选择出移架力的值为100~150 kN，150~300 kN以及300~400 kN。

3 液压支架的选型

该煤层工作面的煤层倾角在28°，该值大于25°，则需要在煤层工作面中和排头的支架处设立防滑和防倒装置[4]。结合计算出的液压支架相关参数，以及底板比压应小于煤层工作面的容许比压值，选择液压支架型号为ZF3700/16/29，其相关性能如表2所示。

表2 ZF3700/16/29型液压支架性能表

4 结论

1）通过测定煤层工作面筛选出液压支架的底比压应小于底板容许比压作为选型参考。

2）根据计算得出，煤层工作面的老顶属于明显的老顶来压，为II级，直接顶的顶级为第2类别，属于中等稳定板，由此可选择得出此类型顶板为掩护式液压支架。

3）通过对液压支架的高度、初撑力和工作阻力等主要参数计算，进一步完成某煤矿的煤层工作面液压支架的选型，并给出该液压支架的具体性能参数，便于借鉴与应用。