大采高支架在磁窯溝煤礦應(yīng)用中的優(yōu)化設(shè)計

雷志勇

（山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司， 山西 河曲 036500）

引言

隨著我國煤炭開采技術(shù)的發(fā)展，大采高綜采技術(shù)已經(jīng)成為我國厚煤層開采的發(fā)展方向之一，并普遍被應(yīng)用于大型的現(xiàn)代化礦井[1]。液壓支架作為綜放采煤支護的核心設(shè)備，其合理的設(shè)計尤為重要[2-3]。隨著開采深度的增加，工作環(huán)境變得極其惡劣，由于工作面上覆巖層的圍巖壓力不同，導(dǎo)致部分液壓支架出現(xiàn)不同程度的失穩(wěn)甚至損壞的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)。因此，本文以磁窯溝煤礦為工程背景，通過對該礦11102工作面大采高支架在應(yīng)用中存在的缺點進行優(yōu)化改進，為礦井的安全生產(chǎn)提供有效的技術(shù)支持。

1 工程背景

磁窯溝煤礦11102工作面地處黃土高原干濕過渡帶，地表為山西西北部黃土高原中—低山區(qū)地形，地表沖刷溝較多。該工作面長179 m，推進長1044m，煤層平均傾角為6°，層內(nèi)0.4 m夾矸上部平均煤厚約為1.7 m、下部平均煤厚約為2.4 m，總體平均厚度為4.5 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單，但煤層厚度變化比較大。工作面具體的頂?shù)装迩闆r如表1所示。

由表1可以看出，該工作面直接頂上部為10-2煤采空區(qū)，受采空區(qū)垮落影響，巖性較破碎；直接頂為泥巖，平均厚度為5.8 m，節(jié)理裂隙發(fā)育，層狀結(jié)構(gòu)易冒落；老底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度28 m，局部含砂量較高，成分以石英為主，再加上褶曲等構(gòu)造影響，使得煤層在開采過程中易發(fā)生應(yīng)力集中導(dǎo)致支架失穩(wěn)甚至損壞?；诖?，本文對該礦的液壓支架進行合適的選型和優(yōu)化設(shè)計。

表1 工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)情況分布表

2 液壓支架的強度校核

由于磁窯溝煤礦11102工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上覆巖層為10-2號煤層10202工作面采空區(qū)，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致支護困難。所以企業(yè)以安全為前提，滿足使用為基礎(chǔ)，減少投入，考慮利用企業(yè)原有支架，驗證其支護可行性。

2.1 支架架型的確定

選擇架型的主要依據(jù)：在一定的地質(zhì)條件下，根據(jù)周期來壓的不同，將老頂分為I，Ⅱ、Ⅲ、IV4個等級；再根據(jù)直接頂?shù)姆€(wěn)定性，將直接頂?shù)募墑e分為4類，從而組合成不同情況如下頁表2所示。

根據(jù)磁窯溝煤礦11102工作面的頂?shù)装宓刭|(zhì)情況所知，本工作面的基本頂為Ⅱ級，直接頂為2類，故適宜采用掩護式液壓支架。

2.2 支護參數(shù)的確定

2.2.1 支架支護強度

支架架型確定之后，支護強度的大小也是影響支護效果的重要因素之一。支護強度過大給支架的搬運和安裝帶來困難；支護強度過小又會造成頂板過早離層、冒落。但目前還不能準(zhǔn)確的計算支護強度，而只能采取經(jīng)驗公式近似的確定支架的支護強度。計算公式如下：

表2 支架選型參考表

式中：q為支架的支護強度；H為采高，平均4.5 m；γ為上覆巖層的密度，一般取2.1 t/m3；K為巖石膨脹系數(shù)，取1.35；α為工作面傾角，取5°；β為附加阻力系數(shù)，二排柱支架取1.6，單排柱支架取1.2；q1為頂板周期來壓動載系數(shù)，取1.1。

即：液壓支架的支護強度應(yīng)大于35.5 MPa。

2.2.2 支架高度

合適的結(jié)構(gòu)高度是支架是正常工作的關(guān)鍵，支架的最大及最小高度可按照下式確定：

式中：Hmax、Hmin為支架最大、最小高度，m；Mmax、Mmin為工作面最大、最小采高，分別取4.5 m、3.3 m。

通過計算可知，支架的最大支撐高度要大于4.7m，最小高度要小于3 m。

2.2.3 支架工作阻力

支架的工作阻力采用以下公式進行計算：

式中：ρ為砂巖容重為2 000～2 800 kg/m3，取最大值；M為采高，本工作面取4.5 m；L為支架支撐長度，取1.75 m；B為支架支撐寬度，取9.8 m。

即：支架的工作阻力要大于7 330 kN才滿足要求。

根據(jù)11102綜采工作面的實際地質(zhì)情況，通過核算支護強度和工作阻力等參數(shù)，選用ZY8000/24/50D型掩護式液壓支架作為該工作面巷道支護的主要設(shè)備，共計107臺支架，具體的參數(shù)如表3所示。

3 液壓支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)磁窯溝煤礦的實際地質(zhì)情況，通過計算液壓支架的相關(guān)參數(shù)，最終選用了ZY8000/24/50D型掩護式液壓支架作為11102工作面的主要支護設(shè)備。但該工作面頂板和煤層堅硬，不同高度的圍巖壓力不同，使得液壓支架在使用過程中由于應(yīng)力集中而出現(xiàn)不同程度的損壞，影響生產(chǎn)的工作效率。因此，為了使液壓支架能更好地適應(yīng)該工作面的頂板壓力，對支架的部分結(jié)構(gòu)進行改進，從而改善支架的穩(wěn)定性，確保企業(yè)安全生產(chǎn)的順利進行。

表3 ZY8000/24/50D型液壓支架參數(shù)表

3.1 液壓支架護幫結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

通過分析11102工作面的頂?shù)装迩闆r可知，上覆巖層為采空區(qū)，使得頂板的壓力遠大于支架護幫板對煤壁的壓力，而液壓支架在工作時，因千斤頂伸出過長而降低了液壓支架的承載能力。因此，將支架的掩護梁和伸縮梁進行分離，可以有效地抑制煤壁破壞體發(fā)生滑落失穩(wěn)。建立的煤壁破壞體滑落失穩(wěn)力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 煤壁滑落失穩(wěn)力學(xué)模型圖

圖中，a為煤壁破裂面與煤壁的夾角，M為采高,F1為覆巖壓力，b為煤壁破壞深度，F(xiàn)md為煤巖之間的摩擦力。對煤壁破壞體建立平衡方程：

式中：F3h為深部煤體對煤壁破壞體垂直于破壞面的作用力；Fmm為煤壁破壞體與煤體的摩擦力；f1為頂板巖層與煤體的摩擦因數(shù)。

對上式求解可得液壓支架護幫板抑制煤壁破壞體發(fā)生滑落失穩(wěn)的最小護幫力：

通過上述計算分析，可以得出煤壁破壞位置一般為距煤層頂板0.35倍的采高處，由于護幫板直接鉸接在液壓支架的頂梁上，護幫板與伸縮梁分體結(jié)構(gòu)對煤壁的支護作用合力更大，所以應(yīng)對支架的伸縮梁與護幫板進行分離，確保支架的支護效果。

3.2 液壓支架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

大采高支架在工作過程中受到頂板的應(yīng)力集中時，頂梁承載能力差，前后連桿容易失穩(wěn)；底座受到扭轉(zhuǎn)載荷，使得柱窩處應(yīng)力表現(xiàn)異常。因此，對液壓支架的頂梁前端采用6條縱筋的5腔結(jié)構(gòu)，增加頂梁的抗變形能力，如圖2中2-1所示；對底座加強筋處由26 mm加厚到40 mm，如圖2中2-2所示，使得優(yōu)化后的支架能更好地適應(yīng)頂板的壓力，提高工作環(huán)境的安全系數(shù)。

圖2 關(guān)鍵抗沖擊結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

4 應(yīng)用效果

按照上述優(yōu)化設(shè)計，對改進后的大采高液壓支架進行現(xiàn)場應(yīng)用，并測量支架所受到的載荷頻度和載荷大小，記錄的數(shù)據(jù)如圖3所示。

由圖3可知，支架所受載荷在20～30 MPa之間，占了總數(shù)的65.5%，遠小于支架支護強度，說明改進后的液壓支架能夠合理地平衡圍巖的壓力，改善了支架的穩(wěn)定性，提高了工作環(huán)境的安全系數(shù)，為煤礦的安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。

5 結(jié)論

1）根據(jù)磁窯溝煤礦11102工作面的實際地質(zhì)條件，并計算液壓支架的有關(guān)參數(shù)，最后確定ZY8000/24/50D型大采高支架作為該工作面的主要支護設(shè)備滿足支護要求。

圖3 液壓支架荷載頻度統(tǒng)計圖

2）針對ZY8000/24/50D型支架在現(xiàn)場應(yīng)用過程中受到應(yīng)力集中的問題，對支架進行優(yōu)化改進。將掩護梁和伸縮梁進行分離，增加了支護的合力，確保了支護效果；對支架的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行加厚、加固處理，可以更好地承載頂板載荷，提高了支架穩(wěn)定性。

3）通過對大采高液壓支架在磁窯溝煤礦的應(yīng)用研究，說明液壓支架經(jīng)過切合實際的優(yōu)化改進，不僅能提高工作效率，減少企業(yè)的生產(chǎn)成本，還可以提高工人工作環(huán)境的安全系數(shù)。