超长软顶综采工作面液压支架选型研究

郭 超，李 丽，李新旺，王汉青

（1.冀中能源峰峰集团 梧桐庄矿，河北 邯郸 056200；2.河北工程大学土木工程学院，河北 邯郸 056038；3.河北工程大学矿业与测绘工程学院，河北 邯郸 056038；4.河北工程大学河北省高校煤炭资源开发与建设应用技术研发中心，河北 邯郸 056038）

0 引 言

液压支架是矿井工作面综合机械化采煤主要的技术装备之一，合理的液压支架选型可减少回采过程中工作面出现顶板冒顶、支护强度和阻力不足等矿压显现问题[1]。因此，制定合理的液压支架技术参数及其适用性研究来提高支架稳定和工作性能，是保障矿井安全回采的重要方面。

为了探究液压支架主要技术参数在选型过程中对工作面开采的影响，众多学者开展了大量的研究。杜伟剑等[2]根据矿井设备应用的“三机”原则及磁窑沟煤矿综采工作面的地质条件，并进行了相关参数计算；陈贵廷[3]通过理论计算与工程实践，选取ZY8000/25/50 型液压支架应用于榆树坡5105工作面，取得了较好的实践效果；魏武豪[4]以塔山煤矿8226 综采工作面为工程背景，利用理论计算得到液压支架支护强度、支架高度及工作面阻力等主要技术参数，确定了选用ZF17000/27.5/42D 型支架用于放顶采煤；康志鹏等[5]对顾北煤矿13121 工作面开采条件进行分析并建立力学模型，确定选用ZZ13000/24/50 型支撑掩护式液压支架，并分析了支架适应性程度；秦小云[6]以寺河矿4301 大采高超长工作面为背景，利用现场实测与理论计算等方法，对ZY12000/28/62D 型液压支架进行了适应性研究，结果表明各项参数符合该工作面的安全生产要求。本文以梧桐庄煤矿182605 超长软顶工作面为研究背景，通过地质资料调查、理论计算和数值模拟，对该工作面液压支架的技术参数进行确定，并根据合理的选型参数最终选取适用于梧桐庄矿井182605 综采工作面的液压支架型号。

1 概 况

梧桐庄煤矿182605 工作面位于井下六采区2号煤层，原182605 工作面划分为182605下工作面和182605 工作面进行回采。182605下工作面设计走向长度640 m，倾向长度202 m，煤层底板标高为-570—-670 m。工作面里段煤层平均倾角6°，外段煤层倾角6°～44°，平均煤厚为3.45 m，且煤厚整体变化不大。基本顶厚度为3.30 m，直接顶厚度为5.71 m，基本底厚度为8.90 m，直接底2.40 m，顶底板岩层特征见表1。

表1 顶底板岩层岩性特征Table 1 Lithological characteristics of roof and floor strata

2 支架主要技术参数确定

2.1 支架支撑高度

通常放顶煤支架的最大结构高度大于最大采高0.2 m 左右的原则，故支架最大支撑高度计算公式如下：

式中：Mmax为182605 工作面最大采高，取3.6 m。

根据上述公式计算和煤厚及其赋存条件，并考虑直接顶因素及目前较为成熟架型及双伸缩立柱结构设计，支架最大与最小支撑高度分别确定为4.2 m 和1.9 m。

2.2 支架中心距确定

选择匹配的液压支架中心距应根据不同开采条件和不同工作阻力进行选取，主要依据矿井运输条件、开采工作面长度和配套设置之间的关系确定。超长工作面开采势必会导致液压支架的工作阻力增加，须使液压支架中心距增加来缓解因阻力过大产生的安全隐患，避免矿井事故的发生。通过对大量矿井液压支架采用的中心距大小进行调查实证，常用的液压支架主要使用1.5 m 和1.75 m 中心距。结合182605 工作面的煤厚、地质条件及经济性并根据国家标准中对液压支架中心距的要求，综合考虑选取液压支架中心距为1.5 mm。

2.3 支架支护强度和工作阻力

根据受力平衡条件，顶板压力与支护阻力一致时达到平衡。支护阻力不足会导致顶板较早地下沉压架和顶板离层破碎，但如果仅考虑大的支护强度来保证安全，会增加设备重量和资金投入，也不利于井下搬运和安装。因此，需要确定合理的支架支护强度。

（1） 岩重法。

根据经验公式，工作面支架支护强度与工作面实际采出煤层厚度有关，通常为采高的6～8 倍，可用下式进行计算：

式中：n 为支护强度与采高的倍数关系；HM为采高，取3.3 m；γ 为上覆岩层密度。根据182605 工作面实际地质条件，代入数据计算可得P 为0.542～0.723 MPa。

（2） 顶板分类法。

对支架支护强度的计算，主要以顶板类型为基准，即：

式中：PKP为顶板系数，轻型顶板取1.0，中型顶板取1.5，重型顶板取2.0；MB为最大采高，取3.3 m。根据182605 工作面实际地质条件，顶板系数取1.5。计算后可得P 为0.801 MPa。

（3） 传递岩梁法。

对于回采工作面顶板岩层的控制，其运动发生时间和范围等因素是决定工作面顶板压力大小的关键。大量煤炭开采工程中实例表明，受开采影响的范围是较为有限的，起到作用的岩层主要包括直接顶和老顶，形成如图1 所示的“传递岩梁”结构形态。本文基于矿山压力理论，并利用郑州煤矿机械有限公司研发的液压支架与围岩关系模型分析系统，对回采工作面上覆岩层运动发展规律及矿山压力分布和显现发展规律进行数值模拟。

图1 “传递岩梁”理论结构示意Fig.1 Theoretical structure of'transfer rock beam'

图2 和图3 分别给出了顶板初采来压和顶板周期来压压力数值模拟值。从图中可以看出，工作面推进至45 m 时，煤壁前方10 m 处Kmax为1.12；工作面推进至370 m 时，煤壁前方10 m 处Kmax为1.97。

图2 顶板初采来压压力模拟值Fig.2 Roof initial mining pressure simulation value

图3 顶板周期来压压力模拟值Fig.3 Roof periodic pressure simulation value

根据上述3 种工作面支架支护强度计算方法，计算结果汇总见表2。

表2 3 种方法计算支架支护强度结果Fig.2 Roof periodic weighting pressure simulation value

综合上述计算结果分析，并考虑工作面支架使用的安全性和经济合理性，支架支护强度应不小于0.823 MPa。据此对支架工作阻力进行计算。由配套尺寸、支架的顶梁长度和空顶距，可得：

式中：F 为液压支架工作阻力；q 为液压支架支护强度，取0.823 MPa；LK和LD分别为空顶距与液压支架顶梁长度；B 为支架中心距，取1.5 m。根据以上计算得支架工作阻力为6 247 kN，最终圆整为6 400 kN。

2.4 支架初撑力

合理的支架初撑力对于减小煤帮外臌量和顶板下沉量，缓解围岩压力和提高支架工作阻力，以及在应对片帮、煤壁变形等方面具有重要的控制作用。结合182605 工作面实际情况，对于的大采高和超长工作面的支架初撑力与支架工作阻力的比例系数μ 取75%～80%。初撑力计算公式如下：

根据182605 工作面煤层顶板稳定性情况，结合顶板周期垮落特征及液压支架放煤对顶煤的反复破碎能力，液压支架初撑力确定为5 232 kN。

3 综采工作面支架选型确定

3.1 支架选型参数确定

经过支架主要技术参数的合理确定，结合矿井原有ZZ4800/18/9D 支架运输不能适用于当前的开采条件，最终确定梧桐庄矿182605 回采工作面采用ZZ6400/19/42D 四柱支撑掩护式液压支架，主要技术参数如下：

高度/mm 1 700~3 500宽度/mm 1 430～1 600中心距/mm 1 500初撑力/kN 5 232工作阻力/kN 6 400平均支护强度/MPa 0.75～0.8平均对底板比压/MPa 2.3～2.5移架步距/mm 630适应倾角/（°） ＜45

3.2 软顶与大倾角控制关键技术

复合软顶板存在容易发生煤壁片帮和破碎等问题，以及大倾角综采工作面开采环境较为复杂。为解决182605 回采工作面软顶和大倾角控制的关键问题，采用的ZZ6400/19/42D 四柱支撑掩护式液压支架为支架侧护板全封闭型，并设计伸缩梁机构，伸缩梁行程为700 mm，大于截深630 mm；设计一级护帮板，小四杆机构，保证护帮力；加大前梁千斤顶缸径（选用是φ160 mm），调顶压力调整至40 MPa；支架活动侧护板调整支架姿态，加强型侧护板设计；底座宽度适当加宽，增加自身抗倾倒能力，并设计底调横梁，配置2 个调底座千斤顶；底座设计长推杆结构，以增加防滑能力。

ZZ6400/19/42D 型四柱支撑掩护式液压支架实体如图4 所示。

图4 ZZ6400/19/42D 型四柱支撑掩护式液压支架Fig.4 ZZ6400/19/42D four-column support shield hydraulic support

3.3 现场实践效果和经济效益

选用ZZ6400/19/42D 型液压支架，较以往支架工作阻力增大，采高范围增大，增加了煤炭资源的回收率，能更好的适应182605 回采工作面的工况，使工作面推进度可达10 刀水平，并有效控制了顶板出现冒顶和流砟等事故发生，防止了从架间、架缝和顶梁铰接处掉落碎砟，很大程度的减少了工人清砟工作量，且操作便捷。在经济效益方面，182605 工作面平均月产量相比原有生产能力提高了2 万t，全年增加收益近24 000 万元；降低了工作面支架检修次数，以服务年限18 个月计算，可节省人工费72.9 万元。

4 结 论

（1） 通过理论计算得出梧桐庄煤矿182605 工作面回采所需液压支架最大与最小支撑高度分别确定为4.2 m 和1.9 m。通过对3 种方法计算结果分析，确定支护最佳强度为0.832 MPa，据此设计支架工作阻力为6 400 kN。

（2） 采用ZZ6400/19/42D 型四柱支撑掩护式液压支架，对工作面出现的软顶和大倾角问题具有较好的控制作用，且具有防倒防滑性能、运行平稳和安全可靠等优点。

（3） 该型液压支架较以往支架工作阻力增大，采高范围增大，增加了煤炭资源的回收率，能更好的适应182605 工作面的实际情况，且具有较好的经济效益。