李勝軍，王彪謀，李成喜

(1.陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013；4.鄂爾多斯市國源礦業(yè)開發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100)

綜 述

放頂煤液壓支架應(yīng)用和選型趨勢研究

李勝軍1，王彪謀2，3，李成喜4

(1.陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013；4.鄂爾多斯市國源礦業(yè)開發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100)

綜采放頂煤開采以來，雖然應(yīng)用四柱放頂煤液壓支架比較普遍，但是該架型前、后柱受力不均，有效支護(hù)效率低是造成工作面頂煤及頂板出現(xiàn)片幫冒頂?shù)闹饕颉＝甑陌l(fā)展和應(yīng)用研究表明，兩柱放頂煤液壓支架不僅技術(shù)成熟且優(yōu)越性突出，已經(jīng)被大量推廣應(yīng)用。要針對煤層開采條件和配套設(shè)備特點(diǎn)進(jìn)行個(gè)性化配套選型和液壓支架設(shè)計(jì)，防止重大技術(shù)問題和事故的發(fā)生。

四柱放頂煤支架；兩柱放頂煤支架；選型趨勢

綜采放頂煤開采以來，雖然應(yīng)用四柱放頂煤液壓支架比較普遍，但是該架型前、后柱受力不均，在松軟煤層頂煤放出后后柱阻力下降表現(xiàn)突出，經(jīng)常出現(xiàn)支架頂梁低頭、前立柱漲缸、后立柱拉壞等現(xiàn)象，有效支護(hù)效率低，是造成工作面頂板及頂煤管理出現(xiàn)片幫冒頂?shù)闹饕蛑弧＝甑募夹g(shù)發(fā)展和應(yīng)用研究表明，兩柱放頂煤液壓支架不僅技術(shù)成熟而且優(yōu)越性突出，現(xiàn)在被大量推廣應(yīng)用。放頂煤工作面液壓支架選型是設(shè)備選型中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，要針對煤層開采條件和配套設(shè)備特點(diǎn)，采取科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行個(gè)性化配套選型和液壓支架設(shè)計(jì)，才能防止出現(xiàn)不必要的重大技術(shù)問題。通過對國內(nèi)外一些代表性煤礦放頂煤工作面進(jìn)行調(diào)研和計(jì)算分析，認(rèn)為兩柱放頂煤液壓支架與其工作面圍巖條件具有良好的適應(yīng)性，有利于實(shí)現(xiàn)工作面安全高效自動(dòng)化開采。

1 現(xiàn)場應(yīng)用調(diào)研

調(diào)研國、內(nèi)外代表性煤礦綜放工作面及所用液壓支架架型見表1所示。

表1 綜采放頂煤工作面及液壓支架架型

1.1 同煤大唐塔山煤礦

開采3～5號(hào)合并層，煤層厚度6.82～18.42m，平均12.88m，煤層直接頂板為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度平均12.91m；基本頂板為中粒砂巖、粗砂巖，平均厚度4.7m，底板為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖。

8107工作面配備國產(chǎn)ZF15000/28/52型四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架，支架中心距1.75m，支護(hù)強(qiáng)度約為1.4MPa。普遍存在前后柱受力不均，后柱受力較小，甚至出現(xiàn)拔后柱現(xiàn)象。

1.2 伊泰集團(tuán)酸刺溝煤礦

內(nèi)蒙古伊泰酸刺溝煤礦開采6上煤層，煤層厚度6.3～11.8m，平均9.76m，直接頂板為中粒砂巖、泥巖，平均厚度9.61m，基本頂板為粗粒砂巖，平均厚度26.35m，底板為灰色泥巖。采用大采高綜放開采技術(shù)，生產(chǎn)能力超過12Mt/a。

首采面布置在6105工作面，工作面長245m，均為國產(chǎn)設(shè)備，配備ZF15000/26/42型四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架，礦井開采初期出現(xiàn)了支架大面積壓死事故，支架柱窩壓穿、柱銷拉彎等損壞,嚴(yán)重影響了工作面正常生產(chǎn)，后續(xù)工作面采用了ZF21000/25/45D型四柱支撐掩護(hù)式放頂煤電液控制支架，基本滿足正常開采，但由于各種原因仍然有個(gè)別支架出現(xiàn)壓死現(xiàn)象。

1.3 中煤平朔安家?guī)X井工一礦

開采9號(hào)煤層，厚度10.6～14.6m，平均11.9m。直接頂板為泥巖、炭質(zhì)泥巖，厚度0～3.73m，平均1.12m；基本頂為泥巖與砂質(zhì)泥巖互層，平均厚7.83m；底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖。

工作面配備國產(chǎn)ZFY12000/23/40D型兩柱掩護(hù)式放頂煤電液控制支架，支架中心距1.75m，支護(hù)強(qiáng)度1.25MPa。支架有效支護(hù)強(qiáng)度高，頂梁前端支頂力大，有利于保持梁端頂板的完整，減少工作面煤壁片幫、冒頂，針對工作面礦山壓力顯現(xiàn)劇烈，兩柱掩護(hù)式綜放支架很好地滿足了工作面支護(hù)要求。該礦區(qū)2009年經(jīng)天地科技北京開采所論證后開始成功應(yīng)用兩柱放頂煤電液支架，現(xiàn)在全礦區(qū)已全部淘汰了四柱放頂煤液壓支架。

1.4 神華保德煤礦

開采8號(hào)煤層，平均厚7.1m，堅(jiān)固性系數(shù)約0.72，屬軟弱煤層。直接頂為含礫粗砂巖、泥巖，厚度平均2.4m；基本頂為砂質(zhì)泥巖、粗砂巖，厚度平均12.15m；底板為細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖。

工作面配備國產(chǎn)ZFY10200/25/42D型兩柱掩護(hù)式放頂煤電液支架，支架中心距1.75m，支護(hù)強(qiáng)度1.1MPa，該礦多套兩柱掩護(hù)式放頂煤電液支架使用狀況良好；受制于煤層瓦斯含量高，工作面設(shè)備產(chǎn)能并沒有完全釋放，但工作面設(shè)備開機(jī)率高，能夠?qū)崿F(xiàn)8Mt/a能力要求。

1.5 神樹畔煤礦

神樹畔煤礦開采3號(hào)煤層，厚度10.52～11.75m，平均11.16m。

工作面均為國產(chǎn)設(shè)備，ZFY17000/27/50D型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架，電液控制，支架中心距2.05m，支護(hù)強(qiáng)度1.4MPa；已順利通過了工作面初次來壓(步距52m)，周期來壓(步距29m)，液壓支架狀態(tài)良好，工作面設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

1.6 內(nèi)蒙古滿世集團(tuán)罐子溝煤礦

罐子溝煤礦開采6號(hào)煤層，厚度11～29m，平均厚度15.45m，機(jī)采高度3.5～4.0m，放頂煤高度11.65m，礦井生產(chǎn)能力達(dá)到7.3Mt/a。

工作面均為國產(chǎn)設(shè)備，2009年配備ZFY8600/25/42兩柱掩護(hù)式放頂煤支架，4年開采7個(gè)工作面未升井大修，已成功實(shí)現(xiàn)單一工作面年產(chǎn)7.3Mt。隨著煤層厚度加大，2013年底新購置1套ZFY12000/26/47型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架。

1.7 澳大利亞奧思達(dá)煤礦

奧思達(dá)煤礦煤層埋藏深度300～650m，煤層上覆巨厚砂巖層，煤層厚度范圍為6～7.5m，煤層節(jié)理發(fā)育，主要設(shè)備為BUCYRUS(原DBT)生產(chǎn)，已經(jīng)在井下連續(xù)運(yùn)行6a有余，使用狀況良好。每個(gè)生產(chǎn)班共由7名工人組成，其中放煤工2人在工作面操作，其余人員在工作面巷道完成對膠帶輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、采煤機(jī)、刮板機(jī)、液壓支架的操作控制，實(shí)現(xiàn)工作面安全高效自動(dòng)化開采。

1.8 陽泉煤業(yè)集團(tuán)

陽泉煤業(yè)集團(tuán)是我國最早大規(guī)模成功使用綜合機(jī)械化放頂煤開采的單位。礦區(qū)大部分為中硬煤層，煤層節(jié)理發(fā)育易冒落，頂板多為砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖。2012年天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部為陽煤集團(tuán)成功設(shè)計(jì)了1套ZFY5800/16/30型兩柱放頂煤液壓支架，井下應(yīng)用效果良好。2013年開始整個(gè)礦區(qū)先后設(shè)計(jì)研制了共8套兩柱放頂煤電液控支架，其型號(hào)為ZFY5800/17/32D型(5套)，ZFY7800/17/32D型(1套)，ZFY13000/24/40D型(3套)，分別成功應(yīng)用在陽泉、壽陽、臨汾、保德等礦區(qū)，兩柱放頂煤液壓支架成為技術(shù)主導(dǎo)架型。

2 四柱和兩柱放頂煤支架關(guān)鍵參數(shù)對比分析

在支架工作阻力和配套設(shè)備相同的條件下，兩種支架其關(guān)鍵參數(shù)對比見表2。

表2 兩種支架關(guān)鍵參數(shù)對比

通過對比分析可以看出：

(1)在支架工作阻力和配套設(shè)備相同的條件下，一般兩柱支架比四柱支架的頂梁短約300mm以上，兩柱支架的支護(hù)強(qiáng)度相對較大。

(2)正常工作狀態(tài)下四柱放頂煤支架頂梁平衡區(qū)的范圍主要分布在前、后立柱的中間。兩柱放頂煤支架頂梁平衡區(qū)的范圍主要分布立柱前后附近，通過平衡千斤頂調(diào)節(jié)支架合力作用點(diǎn)變化的范圍。當(dāng)支架后部頂煤放空后,支架外載合力作用點(diǎn)前移，前、后立柱受力不均，當(dāng)超出四柱支架頂梁平衡區(qū)的范圍時(shí)，前、后立柱受力差別很大，嚴(yán)重時(shí)后立柱受拉力。

(3)正常工況下，兩柱支架比四柱支架的底板前端比壓相對要大。四柱支架當(dāng)支架后部頂煤放空后,支架合力作用點(diǎn)前移，底座前端比壓也會(huì)相應(yīng)增大。不論是兩柱還是四柱放頂煤支架，通過科學(xué)合理地優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)底座前部設(shè)置抬底裝置，使支架適應(yīng)軟底板的工況，能夠?qū)崿F(xiàn)順利移架。

(4)四柱支架為防止前后柱受力差別過大，一般采用分體鉸接頂梁，前梁最前端支護(hù)能力取決于前梁千斤頂?shù)哪芰?，一般?00kN以內(nèi)。兩柱支架宜采用整體頂梁，平衡千斤頂具有調(diào)節(jié)合力的位置作用，通過計(jì)算對比，兩柱支架頂梁前端支頂力和后端切頂力均大于四柱支架。梁端支撐力越大，支架對頂板支護(hù)和控制能力越強(qiáng)，可有效防止片幫冒頂。后部切頂力大，有利于頂煤破碎垮落。

3 四柱放頂煤液壓支架特點(diǎn)

近三十年以來，由于受各種因素的影響，我國放頂煤工作面主要使用四柱放頂煤液壓支架，其主要特點(diǎn)是：

(1)感觀方面認(rèn)為四柱式支架(圖1)四平八穩(wěn)，操作直觀，在操作過程中容易保持頂梁處于水平狀態(tài)。

圖1 四柱放頂煤液壓支架

(2)在頂煤和頂板比較完整的條件下使用四柱支架故障較少，支架底座前端對底板比壓相對小，在底板極軟的條件下有利于移架。

(3)立柱缸徑較小，維修方便。

(4)支架在使用中存在的問題是：前、后排立柱受力不均衡，支架工作阻力達(dá)不到設(shè)計(jì)額定值，支護(hù)效率低，經(jīng)常出現(xiàn)后立柱受拉，銷軸拉彎，前立柱漲缸漏液，支架壓死等故障。為避免支架前、后柱出現(xiàn)受力不均，四柱支架一般不采用整體頂梁，通常采用主體頂梁帶鉸節(jié)前梁。由于鉸接前梁支撐力小，易造成片幫和冒頂。四柱支架液壓系統(tǒng)復(fù)雜，配置電液控制系統(tǒng)支架自適應(yīng)性不好。

4 兩柱放頂煤液壓支架的特點(diǎn)

近十年以來，隨著設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平的發(fā)展，大缸徑、大工作阻力、高可靠性的兩柱放頂煤支架(圖2)技術(shù)已經(jīng)成熟，被大量推廣應(yīng)用，其主要特點(diǎn)是：

圖2 兩柱放頂煤液壓支架

(1)兩柱支架對圍巖的適應(yīng)性好，頂梁相對較短，支護(hù)面積小，支架支護(hù)強(qiáng)度高；兩柱受力均衡，能充分發(fā)揮支架的支護(hù)能力，支護(hù)能力強(qiáng)。

(2)宜采用整體頂梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單可靠，頂梁前端支撐力大，有效防止頂煤片幫和冒頂。

(3)平衡千斤頂具有調(diào)節(jié)支架頂梁合力作用點(diǎn)的功能，能適應(yīng)頂煤和頂板載荷的變化。

(4)配置電液控制系統(tǒng)自適應(yīng)性明顯好于四柱式支架，有利于實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)化，加快工作面推進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)安全、高效開采。

5 結(jié)論與建議

(1)目前雖然應(yīng)用四柱放頂煤液壓支架架型較普遍，但是該架型前、后柱受力不均，一般前、后柱受力比值大約在1.11～2.23，前柱均大于后柱。在松軟煤層頂煤放出后后柱阻力下降表現(xiàn)突出，經(jīng)常出現(xiàn)支架頂梁低頭，前立柱漲缸，后立柱拉壞，片幫冒頂，甚至發(fā)生支架壓死重大事故。因此，不優(yōu)先推薦選用四柱放頂煤液壓支架架型。

(2)經(jīng)過近十年的技術(shù)發(fā)展和大量成功應(yīng)用，研究表明兩柱放頂煤液壓支架架型技術(shù)成熟，適應(yīng)性強(qiáng)，優(yōu)越性突出，問題較少。近年來，通過創(chuàng)新立柱連接形式，φ340mm，φ440mm大缸徑立柱分別成功應(yīng)用在1500mm和1750mm中心距的放頂煤支架，使兩柱放頂煤液壓支架的工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度提高，適用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，可滿足工作面支護(hù)的需求，因此，優(yōu)先推薦選用兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架。

(3)兩柱放頂煤液壓支架建議優(yōu)先采用整體頂梁結(jié)構(gòu)，頂梁封閉性好，架前支護(hù)能力強(qiáng)，能有效防止片幫冒頂。四柱放頂煤液壓支架優(yōu)先采用前梁和頂梁鉸節(jié)結(jié)構(gòu)，減少前、后柱受力不均問題；如果采用整體頂梁結(jié)構(gòu)，會(huì)加劇前、后柱受力不均、容易造成支架壓死、支架損壞等問題，因此需要選用約1.5倍工作阻力的重型液壓支架。

(4)建議選用雙伸縮立柱，增大支架伸縮比，使支架盡可能適應(yīng)頂板下沉量，防止支架被壓死等重大事故發(fā)生。

[1]王國法，等.液壓支架技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1999.

[2]王彪謀，周國際.王家塔煤礦大采高液壓支架合理工作阻力研究[J].煤礦開采，2010，15(5)：64-65，81.

[3]何風(fēng)強(qiáng)，李 宏，王東攀.四柱放頂煤液壓支架立柱受力不均衡規(guī)律及機(jī)理研究[J].煤礦開采，2012，17(6)：35-37.

[4]馬端志.四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架支護(hù)性能分析[J].煤礦開采，2010，15(5)：66-68.

[5]鄭蘭芳.液壓支架虛擬壓架試驗(yàn)研究[J].煤礦開采，2010，15(4)：90-92，94.

[6]閆少宏，富 強(qiáng).綜放開采頂煤頂板活動(dòng)規(guī)律的研究與應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2003.

[7]寧桂峰，曾明勝.大傾角大采高液壓支架設(shè)計(jì)研究[J].煤礦開采，2011，16(4)：71-73.

[8]王建國.基于MATLAB的液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦開采，2010，15(2)：70-72.

[9]劉金海，姜福興，孫廣京，等.深井綜放面沿空順槽超前液壓支架選型研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012(11)：2232-2239.

[責(zé)任編輯：鄒正立]

ApplicationofTop-coalCavingPoweredSupportandLectotypeTendency

LI Sheng-jun1,WANG Biao-mou2,3,LI Cheng-xi4

(1.Yangquan Coal Industry(Group)Co.,Ltd.,Yangquan 045000,China;2.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science &Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China;3.Coal Mining & Designing Research Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;4.Erdos Municipal Guoyuan Mining Development Co.,Ltd.,Erdos 017100,China)

It is typical that applying 4-prop top-coal caving powered support since full-mechanized caving mining came into use.But for this type of support,front and rear prop stress was unbalance which results in low supporting efficiency,this is main cause of roof falling and coal-wall slide in mining face.Ten years of development and application showed that 2-prop caving support was technically immature and had prominent superiority and had been largely spread into use.It is very important to make lectotype and design powered support according to coalseam mining condition and equipment character,and prevent great technical problem and accident.

4-prop top-coal caving powered support; 2-prop top-coal caving powered support; lectotype tendency

2014-04-15

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.001

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題；兩柱式超強(qiáng)力放頂煤液壓支架研制(2012AA06A407)

李勝軍 (1971-)，男，河北井陘人，工學(xué)碩士，機(jī)械工程師，從事煤礦綜采綜掘設(shè)備選型配套和管理工作，機(jī)電設(shè)備管理中心副主任。

李勝軍，王彪謀，李成喜.放頂煤液壓支架應(yīng)用和選型趨勢研究[J].煤礦開采，2014，19(5)：1-3，7.

TD355.42

A

1006-6225(2014)05-0001-03