大倾角煤层综采液压支架选型分析

[摘 要]液压支架是综采工作面的主要设备之一，正确选择液压支架的架型，对于提高综采工作面的产量和效率尤其重要。本文结合2130煤矿25221工作面煤层赋存条件，经过理论计算、实测等方法，最终确定出与大倾角煤层相适应的液压支架的类型。

[关键词]液压支架；综采工作面；支架选型；适用性

中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）19-0069-01

1、前言

综合机械化采煤技术的出现，为煤矿开采行业带来了革命性的的变化。液压支架合理选型是综采成功的重要保证。液压支架是工作面实现高产高效的关键设备，只有设计出和开采相匹配的不同类型和结构尺寸的液压支架，才能保证开采区的安全高效生产。对于大采高支架，其适用范围和工作面的地质条件密不可分，支架支护强度工作阻力等主要参数的确定对支架架型的选择等至关重要。

2、25221工作面概况

2130煤矿25221工作面位于二采区5#煤层，工作面设计走向长1813m，工作面斜长105m。工作面煤煤层倾角36-46°，平均44°，煤容重1.39t/m3，煤层赋存稳定。煤层平均厚度5.77m，结构复杂，含3-5层夹矸，煤的硬度系数f=0.3-0.5。工作面直接顶板为灰白色含砾粗砂岩，泥质胶结、风化易碎的灰白色中砂岩，厚度2.32m，其上为以石英为主、抗风化能力强但层面发育的灰白色中砂岩，厚度16.59m。工作面底板为粗砂岩，灰白色，以石英为主，矿质胶结为主，厚度为17.06m。该煤层具有较强的爆炸性。自然倾向性分类等级二级，为自燃煤层。工作面的机采最大高度为4.5m，采煤机截深为0.63m。

3、液压支架选型的确定

3.1、大倾角煤层液压支架选型的关键技术要求

（1）大倾角煤层大采高液压支架的关键技术在于提高其稳定和抗扭性。从国内使用经验看，宜选用底座与掩护梁相联接的四连杆机构架型，各主要连接部位的耳座和销轴的强度要适当加大，销轴与孔的间隙要减小。强化掩护梁的抗扭能力。保证在大的倾角下支架能正常工作。（2）支架各部的封闭性要好，尤其是顶梁部、端头，防止矸、冒顶，切实保证顶梁的接顶性，避免倒架。（3）加大支架初撑力对于防止顶板和上覆岩层过早离层下沉、降低周期来压时冲击载荷的强度、维护顶板的完整性和稳定性十分有利，从而防止煤壁片帮导致冒顶等，提高支架支护质量，所以，为了维护好顶板，使支架受力分布合理，加大支架初撑力（工作阻力的80%以上）是必要的。（4）支架防倒防滑性能高。在满足支护所需工作阻力的前提下重量尽量要轻，抗倒防滑性能好。

3.2、大倾角大采高工作面液压支架型式的确定

（1）工作面一直沿顶开采，煤的硬度系数0.3-0.5。根据老顶分类方法以及现场来压数据分析可知：25221工作面老顶为Ⅲ类来压强烈的顶板。对于25221工作面这种老顶来压明显的顶板，为了避免大面积垮落引起的动载，支架应取较高的初撑力，约为工作阻力的80%，较大的初撑力和较好的初撑质量可以较快达到工作阻力，延缓顶板的下沉，增加顶板的稳定性。根据工作面条件，液压支架应选用支撑掩护式架型。（2）掩护型支架可分单铰式和四连杆式（或称双铰式），双铰式由单铰发展面来，其维护梁端顶板、挡矸，抵抗水平推力效果均较好，还可提高支架的稳定性。本工作面支架选用四连杆式。（3）25221试采工作面采高大于4.0m而且片帮严重，支架应带强力护帮装置。护帮装置还应兼有超前支护顶板的功能。（4）利用完善的挡矸装置，防止采空区矸石窜入回采空间，确保移架顺利。（5）利用灵活、快速的操纵阀，保证移架速度快，利用邻架操作，保证移架工安全。

综合上述，本工作面选用四连杆支撑掩护式液压支架，支架采用正四连杆机构可满足45°倾角条件下的结构扭曲和抗偏载能力。

3.3、液压支架工作阻力的确定

（1）按“顶板-支架-底板”系统动力学控制理论分析

支架平均宽度（综采液压支架平均宽度）：=1.5m；支架支护的顶板平均长度（顶板破断岩块走向长度）：（最小和最大支护长度的平均值）；支架支护的顶板最小宽度（顶板破断岩块倾向尺度，按2架支架宽度计）：；工作面直接顶厚度：；工作面基本顶厚度：；支架于顶、底板之间的动摩擦系数：=0.35-0.42（实验室测试值）；上覆岩层平均容重：；煤层倾角：。

支架平均支护面积：；工作面动载系数：。

顶板破断岩块重量（考虑顶板爆破预弱化处理，选取顶板厚度为18.93m）：

支架重量：

相关设备的预计分摊重量（按采煤机通过时计算）：

直接顶实际垮落厚度与标定厚度系数：

顶板实际垮落岩块与支架质量比：

根据分析，5号煤层顶板为Ⅲ级3类，底板为Ⅱ类，一般情况下工作面易出现底板破坏滑移。根据实验室相似材料模拟实验与数值模拟结果，支架和相关设备下滑、倾倒现象会经常出现（错动失稳），故可认为“支架-围岩”系统具有错动和顺向综合失稳特征。

据此，“支架-围岩”系统动态失稳的临界倾角为：

由于，所以根据“支架-围岩”动态稳定性理论，支架工作阻力为：

支架带压移架工作阻力为：

将上述各参数代入，可得：；

考虑来压期间的动载效应，则有：

由此可得支架处于正常状态时的支护强度为0.416-0.423MPa，来压期间的支护强度为0.825-0.838MPa，支架初撑支护强度为实际工作阻力的75%-85%。

（2）按实测法计算

根据我国综采工作面所测得的数据统计，Ⅲ级3类顶板使用掩护式支架时，所需支架工作阻力为2306.85-2813.85kN，换算为支护面积为6.3375m2的掩护支架工作面，支架支护强度为0.364-0.444MPa，来压期间4567.56-5581.32kN，支架初撑支护强度为实际工作阻力的75%-85%。

（3）依据实验室数值仿真和物理模拟结果分析

正常状态时支架平均工作阻力3900-4506kN，支护强度0.49-0.711MPa，支架侧向载荷平均96.7kN；来压期间支架最大工作阻力5600kN，支护强度0.883MPa，支架侧向载荷最大460kN；初撑支护强度为实际支护强度的75-85%。

（4）支架设计工作阻力及支护强度

通过对以上三方面综合分析，2130煤矿大倾角大采高综合机械化开采工作面支架的设计工作阻力和支护强度如下：正常工作时：工作阻力为4500kN，对顶板的支护强度为0.710MPa，支架侧向力为600kN；来压状态时：工作阻力为5800kN，对顶板的支护强度为0.915MPa，支架侧向力为1200kN；支架初撑力应达到设计工作阻力的0.75-0.85，即正常工作时3375-3825kN。

4、结束语

根据焦煤集团2130煤矿特殊的地质条件，以及先期使用的液压支架的支护强度，考虑到大倾角大采高工作面液压支架的支护效率和支架的可靠性、稳定性，，确定把工作阻力适当提高，工作阻力最终确定为6500kN，因此液压支架确定为ZF6500/22/48四柱支撑掩护式液压支架。

作者简介：何小猛（1985），男，陕西商洛人，机电助理工程师，现就任新疆焦煤（集团）有限责任公司2130煤矿开拓队队长。