虎龍溝煤礦放頂煤液壓支架穩(wěn)定性研究

楊 磊

（山西同煤集團虎龍溝煤業(yè)有限公司， 山西 朔州 036010）

引言

隨著我國煤炭開采技術(shù)的發(fā)展，放頂煤綜采技術(shù)已經(jīng)成為我國特厚煤層開采的發(fā)展方向之一，并普遍應(yīng)用于大型的現(xiàn)代化礦井。目前，高效高產(chǎn)已成為現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)所追求的目標，

而其目標的關(guān)鍵因素之一就是放頂煤液壓支架的可靠性。對于國內(nèi)某些重點礦區(qū)的特厚煤層而言，該煤層具有煤炭硬度大、整體性強、頂煤不易冒落等特點[1]。受地質(zhì)條件的影響，許多工作面礦壓顯現(xiàn)異常激烈，放煤和頂板垮落時對液壓支架的沖擊大，導致支架出現(xiàn)不同程度的壓死、結(jié)構(gòu)件開裂等問題，嚴重影響了煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)[2]。因此，本文以虎龍溝煤礦ZF13000/25/38D 型低位放頂煤液壓支架為研究對象，通過對支架結(jié)構(gòu)進行合理的優(yōu)化改進，從而提高了支架的穩(wěn)定性，為特厚煤層放頂煤液壓支架的設(shè)計提供了技術(shù)支持。

1 工程背景

虎龍溝煤礦81505 位于馬口峪河地帶，工作面東部為實煤區(qū)，南部與盤區(qū)東軌道大巷相接，西部鄰近81503 工作面采空區(qū)，北部鄰近塔山煤礦二盤區(qū)。該工作面走向長2 423 m，傾向長180 m，煤層厚度11.99～14.36 m，平均厚度12.73 m，層內(nèi)含夾矸9-12層（累計厚為3.38～3.81 m）。煤層結(jié)構(gòu)復雜，侵入的火成巖厚度分布沒有規(guī)律，工作面具體的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

由表1 可以看出，該工作面直接頂為高嶺質(zhì)泥巖，厚度為1.5～2.27 m；老頂為粗砂巖，平均厚度為18 m，局部有火成巖侵入；直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.0 m，泥質(zhì)膠結(jié)，致密塊狀夾薄煤。受褶曲和斷層等構(gòu)造影響，液壓支架出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。基于此，本文通過分析影響放頂煤液壓支架的因素，對液壓支架進行合理的改進，從而提高支架的穩(wěn)定性。

表1 工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)情況分布表

2 影響支架穩(wěn)定性的因素

放頂煤支架作為現(xiàn)代煤礦安全生產(chǎn)最重要的設(shè)備之一，在綜采過程中發(fā)揮著支護頂板和推移其他工作設(shè)備的作用，然而85105 工作面地質(zhì)條件復雜，受多重因素影響，造成ZF13000/25/38D 型低位液壓支架出現(xiàn)立柱爆缸、支架壓死等不穩(wěn)定的現(xiàn)象。對于影響支架不穩(wěn)定的因素分述如下：

1）煤層厚度。地質(zhì)資料顯示該煤層平均煤層12.73 m 且層內(nèi)含有夾矸，局部煤層受擠壓變得非常疏松，在放煤前導致支架前柱工作阻力增加，放煤后工作阻力減小，對支架的承載產(chǎn)生影響。

2）煤炭硬度。由于該煤層煤炭硬度大，整體性強且頂煤不易冒落，放煤過程中工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，支架前柱受煤巖體的壓力、后柱受垮落巖體的沖擊，使得支架前后柱的受力不均，對支架的沖擊影響較大。

3）支撐高度。支架各部件用銷軸連接，當支架支撐高度較大且承受縱向的水平力時，合力作用點的位置會發(fā)生變化，導致支架出現(xiàn)歪斜、扭轉(zhuǎn)等不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

4）支架結(jié)構(gòu)強度。受技術(shù)限制，部分支架的結(jié)構(gòu)強度較低，在放煤過程中受到較大煤塊的沖擊，支架不能瞬時卸載，造成支架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。

3 液壓支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過分析以上影響支架穩(wěn)定性的因素，為了使支架更好地適應(yīng)該特殊的地質(zhì)條件，對ZF13000/25/38D 型低位液壓支架的頂梁柱窩、立柱布置和四連桿等結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，從而提高支架的穩(wěn)定性，實現(xiàn)對圍巖的有效控制[3-4]。

3.1 頂梁柱窩焊接結(jié)構(gòu)

放煤過程中由于煤炭硬度大，頂板的周期來壓表現(xiàn)劇烈，對支架有很強的沖擊作用，支架頂梁柱窩周圍應(yīng)力增大，再加上立柱的反復升降，從而增加了柱窩結(jié)構(gòu)損壞的可能性。為了使支架緩沖煤塊的沖擊，對支架頂梁柱窩采用了小柱窩坐落在馬鞍板上的新型結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 頂梁柱窩焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由圖1 可以看出，改進后的柱窩結(jié)構(gòu)能將頂板的沖擊力通過3 次進行分解，不僅減小了結(jié)構(gòu)部件的配合間隙，增加了柱窩的抗沖擊能力，而且適應(yīng)了該煤層特殊的地質(zhì)環(huán)境條件，提高了支架的穩(wěn)定性和抗扭能力。

3.2 立柱布置結(jié)構(gòu)

為了更好地解決工作面頂板難冒落的問題，提高支架的切頂能力，實現(xiàn)支架對頂板的有效控制，建立了頂梁受力簡圖如圖2 所示。圖中：P1為支架的前柱工作阻力，P2為支架的后柱工作阻力，Q為前、后柱的合力，l1、l2分別為前、后柱作用點到O點的距離，L為頂梁長度，α、β 分別為前后立柱與豎直面的夾角。

圖2 頂梁受力簡圖

取頂梁為隔離體，由∑M0=0 得：

由式（1）得：

則頂梁前端的梁端力為：

由式（2）及式（3）可知，當增大前柱的工作阻力P1時，可以使支架的合力作用點前移，可以有效地平衡煤塊對支架的沖擊作用力，增強支架頂梁前端的控頂能力。

3.3 支架四連桿結(jié)構(gòu)

四連桿機構(gòu)作為放頂煤液壓支架的關(guān)鍵部件，起著承受頂板載荷、約束支架頂梁的運動軌跡和保持支架穩(wěn)定性等方面的作用。在正常采高范圍內(nèi)，支架四連桿機構(gòu)受力要盡可能小，改善支架的受力情況，減少冒頂事故，提高工作面煤壁片幫的防護效果。四連桿（H、I、J、K、E構(gòu)成）的運動軌跡如圖3 所示。

圖3 四連桿機構(gòu)運動軌跡圖

由圖3 可知，在升降過程中，頂梁和掩護梁鉸接點E 點的運動軌跡決定了頂梁的運動軌跡，通過優(yōu)化該“雙紐線”，可以使頂梁有向前運動的趨勢，此時頂梁所受的摩擦力可以抵消或減小立柱對頂梁的橫向分力，利于支架向前移動，有效地提高了支架的穩(wěn)定性。

4 應(yīng)用效果

按照上述優(yōu)化設(shè)計，對改進后的放頂煤液壓支架進行現(xiàn)場應(yīng)用，并測量水平移動距和梁端距隨支架高度的變化情況，記錄的數(shù)據(jù)如下頁圖4 所示。實踐表明，頂梁前部水平移動值小于90 mm，梁端距在548 mm 左右時放頂煤液壓支架的穩(wěn)定性最佳。

由圖4 可以看出，在2.5～3.8 m 正常采高范圍內(nèi)，優(yōu)化后的液壓支架梁端距在535～561 mm 之間，水平移動距最大為87 mm，小于其標準值90 mm。這說明優(yōu)化后的放頂煤液壓支架能夠適應(yīng)該煤層的特殊地質(zhì)條件，不僅提高了工作效率，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，還滿足了煤礦企業(yè)高產(chǎn)高效工作面的產(chǎn)能要求，為煤礦的安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。

圖4 支架頂梁前部水平移動值及梁頂距

5 結(jié)論

1）根據(jù)虎龍溝煤礦85105 工作面的實際地質(zhì)情況，分析了影響放頂煤液壓支架穩(wěn)定性的主要因素如：煤層厚度、煤炭硬度、支撐高度和支架結(jié)構(gòu)強度等四方面的內(nèi)容，為支架的優(yōu)化改進提供理論指導。

2）針對該放頂煤支架在現(xiàn)場應(yīng)用時存在支架壓死和結(jié)構(gòu)件開裂等問題，通過對ZF13000/25/38D 型低位液壓支架進行優(yōu)化改進：對支架頂梁柱窩采用了小柱窩坐落在馬鞍板上的新型結(jié)構(gòu)，有效分解了頂板的沖擊力，增加了柱窩的抗沖能力；通過分析頂梁簡圖，提出增加前柱工作阻力的方法來增強支架的控頂能力；通過分析四連體的運動軌跡，可以改善支架的受力情況，提高支架的穩(wěn)定性。

3）通過對放頂煤液壓支架在虎龍溝煤礦的應(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)，并為類似地質(zhì)條件的礦井提供參考和借鑒價值。