滿娜，謝學斌

（1.國家能源集團神東煤炭集團，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017209；2.山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 046000）

0 引言

近年來，我國煤礦開采技術(shù)取得了長足的進步，隨著綜采工作面采掘機械化、智能化的引入，綜采工作面的回采效率顯著提高，使得綜采工作面工作周期進一步縮短，工作面成套設(shè)備的搬家越來越頻繁。因此搬家所耽誤的生產(chǎn)時間逐漸引起了礦方的重視，傳統(tǒng)的回撤搬家過程中，通常采用人工搭設(shè)木垛、木點柱的方式支護回撤端頭三角區(qū)頂板，工藝十分復(fù)雜且效率不高[1-2]。 本文根據(jù)綜采回撤工作面三角區(qū)支護存在的問題，設(shè)計三角區(qū)支架組并對其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行了分析。

1 支架主要參數(shù)分析

三角區(qū)支架組的工作阻力與煤層的采高、煤層頂板、底板的地質(zhì)條件以及回撤巷道的高度有關(guān)，同時，需要綜合考慮三角區(qū)支架組在不同工作面下的適應(yīng)性因素[3-4]。下面分析單個支架的工作阻力。

工作面頂板采空區(qū)垮落厚度∑h 為

式中 Mmax——煤層最大開采厚度

K——垮落巖石碎脹系數(shù)

α——煤層傾角

本文中，煤層最大開采厚度Mmax取3.6 m，垮落巖石碎脹系數(shù)K 取1.1～1.4，一般取1.2，煤層傾角α取3°。

支架工作阻力

式中 ks——富裕系數(shù)，取2.0

B——支架寬度，取1.7 m

L——支架長度，取3.7 m

K1——來壓動載系數(shù)，取2.1

γ——圍巖容量，取25 kN/m3

本文中，富裕系數(shù)ks取2.0，支架寬度B 取1.7 m，支架長度L 取3.7 m，來壓動載系數(shù)K1取2.1，圍巖容量γ 取25 kN/m3。

將上述參數(shù)代入，并考慮到三角區(qū)支架組在不同工作面下的適應(yīng)性， 確定支架工作阻力為12000 kN/架。

最終，確定支架參數(shù)為：

組合形式：三架一組

支架形式：兩柱掩護式

支架高度：1800～3500 mm

初撐力：7 916 kN

工作阻力：12 000 kN

立柱：φ400/φ380/φ280/φ260

2 支架主要結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

根據(jù)三角區(qū)支架的工作阻力，對支架的頂梁與底座進行應(yīng)力有限元分析。 分析結(jié)果如下：在頂梁上施加12000 kN 的最大工作阻力， 支架頂梁的有限元分析結(jié)果如圖1 所示。

圖1 支架頂梁有限元分析云圖

從圖中可以看出， 支架的最大應(yīng)力為372 MPa，安全系數(shù)為1.66；支架的最大位移量2.8 mm，符合三角區(qū)支架的使用要求。

對底座上的柱窩施加12000 kN 的最大工作阻力，底座柱窩的有限元分析結(jié)果如圖2 所示。

圖2 底座柱窩有限元分析云圖

從圖中可以看出， 柱窩的最大應(yīng)力為139 MPa，安全系數(shù)為4.46；支架的最大位移量0.09 mm，符合三角區(qū)支架的使用要求。

3 支架主要結(jié)構(gòu)特點

三角區(qū)支架組如圖3 所示，布置于綜采工作面支架與回撤掩護支架組之間的回撤端頭三角區(qū)，與綜采工作面支架布置方向垂直，頂替原有的木垛式單體支護方式。

圖3 三角區(qū)支架組

為了適應(yīng)三角區(qū)頂板的垮落，三角區(qū)支架組的布置形式采用兩高一低的組合，三架一組。

在靠近老塘一側(cè)的支架頂梁前端設(shè)計有大半徑圓弧端面，在移動的過程中，此結(jié)構(gòu)能夠方便支架頂梁順利從網(wǎng)包下擠過，避免移動過程中對巷道頂網(wǎng)的破壞，造成頂板巖石脫落。

同時， 靠近老塘一側(cè)的支架布置有側(cè)護板，可根據(jù)實際使用情況進行伸縮控制，有效避免垮落區(qū)矸石掉入支架內(nèi)部，影響支架的搬移效率。

三角區(qū)支架組每臺支架都布置有推移油缸以及邁步推移橫梁，且一組支架內(nèi)推移橫梁通過十字連接頭相互連接。 在移動過程中，三臺支架中有兩臺撐起與頂板錨固，另一臺支架通過收縮推移油缸實現(xiàn)邁步。 三臺支架依次循環(huán)，交替撐頂錨固，互為支點，實現(xiàn)支架組機械化邁步自移；回撤端頭三角區(qū)在綜采工作面支架回撤的同時，存在頂板垮落的風險，因此三角區(qū)支架組采用電液控制系統(tǒng)，可遠程無線遙控，避免操作人員接近回撤三角區(qū)，降低安全隱患。

4 應(yīng)用效果

根據(jù)神東公司現(xiàn)有各個礦井的回撤巷道高度情況，本項目研制的三角區(qū)支架組主要針對回撤巷道高度在3.2 米以下的工作面進行設(shè)計。 結(jié)合回撤工藝的特點， 三角區(qū)支架組由2 臺ZY12000/18 /35D 型兩柱掩護式支架和1 臺ZY12000/16.5/30D 型支架組成（見圖4），支護高度分別為1800～3500 mm 和1650～3000 mm。

圖4 三角區(qū)支架組結(jié)構(gòu)形式

三角區(qū)支架組對綜采工作面三角區(qū)頂板的臨時支護，取得了較好的實用效果，產(chǎn)生了良好的社會、經(jīng)濟效益。

（1）實現(xiàn)了綜采工作面三角區(qū)的機械化支護與邁步式自移，提高工作面回撤效率。

（2）代替原有人工搭設(shè)木垛、木點柱的支護方式，降低了木材的消耗，節(jié)省了搬家成本。

（3）簡化原有復(fù)雜的搬運工藝，降低了工人勞動強度。

（4）操作人員采用遠程遙控式電液控制系統(tǒng)對三角區(qū)支架進行操作， 避免在危險區(qū)域作業(yè)，降低了安全隱患。

5 結(jié)語

三角區(qū)支架組的研制與應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的回撤端頭三角區(qū)的支護形式，有效解決了三角區(qū)頂板的支護問題。 該設(shè)備的成功應(yīng)用，是對綜采工作面快速搬家成套支護裝備的補充，一定程度上提高了綜采液壓支架回撤搬家的效率。在改變傳統(tǒng)支護工藝的同時， 也縮減了回撤搬家工序，提高了回撤作業(yè)安全性，應(yīng)用效果顯著，具有廣泛推廣應(yīng)用價值。