綜放工作面低位放頂煤液壓支架安裝插板技術(shù)研究

李新文

（潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)公司）

低位放頂煤液壓支架通過(guò)頂梁的反復(fù)支撐，使得頂煤充分破碎垮落，由于放煤效果好、煤塵較少、抗偏載和抗扭能力強(qiáng)，在提高煤炭回收率的同時(shí)，加強(qiáng)了對(duì)采空區(qū)頂板的維護(hù)，是目前廣泛使用的放頂煤液壓支架［1-4］。

近年來(lái)，以低位放頂煤支架尾梁和插板為主體的研究得到了越來(lái)越多的關(guān)注。張德生［5］為提高后部大塊煤矸破碎效率，設(shè)計(jì)依托于支架尾梁安設(shè)乳化液沖擊破碎錘，實(shí)現(xiàn)高速重載沖壓破斷。文獻(xiàn)［6-7］通過(guò)剛?cè)狁詈戏?、運(yùn)用液壓支架空間力系，得出了尾梁的外載荷和扭矩，為支架受力分析提供參考。商獻(xiàn)偉［8］對(duì)支架尾梁裝置機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理改進(jìn)，使得插板在尾梁內(nèi)伸縮更加順暢。在綜放工作面正?；夭蓵r(shí)，支架插板跌落情況時(shí)有發(fā)生，但是上述研究并沒(méi)有對(duì)插板跌落和插板不動(dòng)作的原因、井下如何安裝補(bǔ)充支架插板和更換插板頂進(jìn)行研究。

以潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)N2103工作面為工程背景，通過(guò)對(duì)低位放頂煤支架尾梁受力進(jìn)行分析，采用提前聯(lián)網(wǎng)上料管理頂板，待頂網(wǎng)到老塘側(cè)時(shí)，利用倒鏈將插板吊起，配合尾梁千斤頂將插板安裝到位。由于低位放頂煤液壓支架安裝插板，更換支架插板頂工序基本一致。因此，重點(diǎn)概述缺失插板支架安裝插板的技術(shù)。

1 工作面概況

N2103 工作面膠帶順槽長(zhǎng)3 100 m，回風(fēng)順槽長(zhǎng)度達(dá)2 971.3 m，可采長(zhǎng)度2 826 m，煤層平均厚度為6.4 m，煤體密度1.39 t/m3，實(shí)際可采儲(chǔ)量為770.4 萬(wàn)t。N2103 工作面采用走向長(zhǎng)壁低位放頂煤全部垮落式機(jī)械化采煤法。

N2103 工作面切眼長(zhǎng)321 m，切眼布置有176 組ZF10000/21/38 型低位放頂煤液壓支架。圖1 為ZF10000/21/38 型液壓支架平面圖，其主要技術(shù)特征詳見(jiàn)表1。

余吾煤業(yè)N2103 工作面支架全部由S1206 工作面直接倒運(yùn)安裝到位。由于支架未上井檢修，支架使用時(shí)間長(zhǎng)。為提高煤炭資源回收率，現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格要求N2103工作面放煤架全矸收窗。

N2103 工作面從2016 年7月份開(kāi)始回采，在工作面回采的4 a 內(nèi)，工作面共有15 組支架插板跌落，75組支架插板頂失效不收。缺失插板的支架在相鄰支架放煤時(shí)容易漏矸，影響管理支架后方的采空區(qū)，漏矸嚴(yán)重時(shí)壓死后溜輸送機(jī)，導(dǎo)致整個(gè)工作面直接停產(chǎn)。插板頂不動(dòng)作的支架，無(wú)法調(diào)節(jié)擺動(dòng)插板進(jìn)行放煤作業(yè)，導(dǎo)致部分頂煤遺留至采空區(qū)，造成頂煤回收率低。為保證正規(guī)循環(huán)，急需對(duì)缺失的支架插板和插板不動(dòng)作的支架采取有效措施。

2 支架插板受力分析

2.1 插板受力分析

圖2為綜放工作面垮落巖層結(jié)構(gòu)圖，由于在煤壁前方支撐壓力作業(yè)下，頂煤開(kāi)始出現(xiàn)壓裂效應(yīng)，隨著工作面推進(jìn)，破裂的頂煤由于受到的約束和支撐壓力變小，在支架反復(fù)支撐、頂板壓力作業(yè)下發(fā)生破碎，并堆積在支架上方和掩護(hù)梁上。

根據(jù)綜放工作面頂板垮落結(jié)構(gòu)圖，文獻(xiàn)［6-7］構(gòu)建了如圖3 所示的支架外載荷受力模型。圖3 中N1～N4表示支架受到的頂?shù)装鍓毫Γ琓1和T2表示頂?shù)装鍖?duì)支架的摩擦力。低位放頂煤支架插板是掩護(hù)采空區(qū)和實(shí)現(xiàn)放頂煤的重要部件，不僅需要支撐來(lái)自采空區(qū)頂板壓力N5的高負(fù)荷靜載荷作用，還需承受放煤過(guò)程中散體煤流和大塊矸石對(duì)插板和尾梁的振蕩沖擊作用［8-10］。

2.2 插板跌落及插板頂失效原因

（1）支架插板由2 根插板千斤頂來(lái)控制，若2 根插板頂不能正常同步伸縮，插板整體受力斜偏和蹩卡，長(zhǎng)此以往，導(dǎo)致插板跌落。

（2）支架插板通過(guò)尾梁頂?shù)倪B接銷軸與尾梁機(jī)械鎖固相連，一旦聯(lián)結(jié)銷軸斷裂，插板在自重力作用下，導(dǎo)致支架插板跌出尾梁腔體。

（3）大塊煤矸碰撞尾梁千斤頂劃傷活塞桿鍍層，進(jìn)而活塞桿密封失效、插板頂串漏液不能自收，無(wú)法進(jìn)行放煤作業(yè)。

（4）支架插板破碎大塊煤矸屬于準(zhǔn)靜態(tài)擠壓劈裂破碎［5］。當(dāng)破碎堅(jiān)硬塊矸或巖石時(shí)，容易導(dǎo)致插板頂活塞桿體變形，插板無(wú)法實(shí)現(xiàn)往復(fù)伸縮。

3 支架頂板提前管理

由于安裝支架插板需進(jìn)入支架后方作業(yè)，不僅靠近工作面采空區(qū)，而且作業(yè)空間狹小。如何在頂板管控有效的情況下，安全高效地安裝支架缺失的插板就顯得尤為關(guān)鍵。本研究借鑒綜放工作面收尾工藝，切實(shí)加強(qiáng)支架頂板管理，為更換支架插板提供有利條件。

3.1 金屬網(wǎng)鋪設(shè)

第1 趟先上3 m 網(wǎng)片，對(duì)安裝插板的支架和相鄰2 組支架，每1 架上1 片（規(guī)格3 m×1 m，網(wǎng)格40 mm×40 mm，10#鉛絲）。上第1趟網(wǎng)片時(shí)，先將3 m網(wǎng)片沿長(zhǎng)度方向?qū)Π肫秸郏雸A從中間穿過(guò)并用綁絲相聯(lián)；落小梁并打出伸縮梁，將半圓和網(wǎng)片塞到伸縮梁上，伸縮梁挑住半圓后，將支架升緊。

工作面推進(jìn)1 刀后，開(kāi)始上5 m 雙層金屬網(wǎng)，要求金屬網(wǎng)沿平行切眼方向鋪設(shè)，雙層網(wǎng)重疊交錯(cuò)鋪開(kāi)，網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度不少于200 mm，搭接處上下兩邊均雙絲三扣，孔孔相聯(lián)，聯(lián)網(wǎng)后梳理成辮，保證支架安裝插板時(shí)頂板不漏矸。

3.2 工字鋼安裝

開(kāi)始上第1趟雙網(wǎng)時(shí)，對(duì)安裝插板的支架上工字鋼管理頂板。選用4 m 的11#礦用工字鋼，每刀煤平行與工作面方向鋪設(shè)1～2根，搭接到相鄰支架上的長(zhǎng)度不少于1 m?？筛鶕?jù)工作面現(xiàn)場(chǎng)頂板條件，適當(dāng)增加工字鋼的數(shù)量和上料范圍。

為加強(qiáng)頂板支護(hù)，要求每刀煤鋪設(shè)1趟雙層金屬網(wǎng)和工字鋼，隨著工作面推進(jìn)，當(dāng)支架頂網(wǎng)壓住掩護(hù)梁時(shí)，停止鋪設(shè)金屬網(wǎng)和工字鋼。圖4為采空區(qū)老塘頂板壓住雙層金屬網(wǎng)時(shí)，支架整體的頂板管理示意圖。

4 安裝支架插板工藝流程

4.1 準(zhǔn)備環(huán)節(jié)

安裝支架插板前，將后溜全部開(kāi)空并拖過(guò)后溜，將支架插板運(yùn)輸?shù)轿?。提前將尾梁腔體內(nèi)清理干凈，避免較硬的碳?jí)K或石頭遺留在尾梁腔體內(nèi)，保證插板導(dǎo)軌無(wú)阻擋。

工作面所有支架尾梁升徹并伸出插板，將需待安裝插板的支架拉出超前架，保證進(jìn)入后溜有足夠作業(yè)空間。由于需安裝插板的支架后方，已提前鋪設(shè)雙層金屬網(wǎng)并用工字鋼搭接在相鄰架間支護(hù)老塘，保證了安全作業(yè)空間。若采空區(qū)老塘緊跟，提前用DW20-180/110 型單體柱或φ200 mm 圓木打設(shè)戧柱支護(hù)相鄰支架采空區(qū)，確保安裝支架插板時(shí)頂板管控有效。

4.2 安裝支架插板

圖5（a）為缺失插板和插板頂?shù)奈擦呵惑w示意圖，由于支架沒(méi)有插板，導(dǎo)致支架后方的采空區(qū)頂板得不到有效的支護(hù)。尤其是支架進(jìn)行放煤作業(yè)時(shí)，無(wú)法伸出插板擋住煤矸，極易導(dǎo)致采空區(qū)大塊矸石流入后溜，擁堵放煤通道。

如圖5（b）所示，為保證順利安裝支架插板，需先將2根插板千斤頂伸出活塞桿，將插板頂末端穿過(guò)尾梁中間箱體內(nèi)部，通過(guò)固定銷軸將插板頂末端與尾梁腔體內(nèi)的耳銷底座相連。

如圖5（c）所示，將插板頂活塞桿完全收回，將2個(gè)5t 倒鏈分別固定到掩護(hù)梁兩側(cè)的吊裝孔作為插板起吊的著力點(diǎn)，然后用倒鏈將插板緩緩起吊，插板在受斜向上方的合力作用下被逐漸吊起。當(dāng)插板緊靠尾梁時(shí)，操作本架尾梁手把調(diào)節(jié)尾梁擺動(dòng)、倒鏈起吊調(diào)整插板方向和角度，方便將插板拉進(jìn)尾梁腔體內(nèi)。

如圖5（d）所示，支架2根插板千斤頂伸出尾梁腔體，將插板頂活塞桿頭與插板耳銷底座用連接銷軸固定。由于尾梁腔體內(nèi)布置有導(dǎo)軌和導(dǎo)條，插板安裝在滑道里，從而保證插板運(yùn)動(dòng)時(shí)，以尾梁裝置上下2 個(gè)面作為縱向滑動(dòng)導(dǎo)向面、以尾梁腔體內(nèi)的導(dǎo)軌與插板主筋作為配合導(dǎo)向面，使插板實(shí)現(xiàn)伸縮往復(fù)動(dòng)作。

值得說(shuō)明的是，缺失插板的支架安裝插板、插板不動(dòng)作的支架更換插板頂，兩者的安裝工序區(qū)別是后者先將倒鏈固定插板，然后拆卸插板連接銷軸，依次將插板和插板頂進(jìn)行回撤。將支架插板頂準(zhǔn)備到位，即可如圖5所示進(jìn)行安裝支架插板工序流程。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通過(guò)提前聯(lián)網(wǎng)和上工字鋼管控支架頂板，在頂板管控有效的情況下，先安裝插板頂，用吊鏈配合尾梁，操作尾梁手把調(diào)節(jié)尾梁擺動(dòng)、倒鏈起吊調(diào)整插板方向和角度，以便將支架插板安裝到位。截止目前，N2103 工作面已累計(jì)補(bǔ)充5 組支架插板，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果明顯，其余無(wú)插板支架和插板頂不回收支架正在逐步更換。

5.1 安全效益

（1）缺失插板的支架安裝插板后，通過(guò)尾梁和插板的協(xié)調(diào)配合，有效地支撐破碎的頂煤及采空區(qū)，維護(hù)了采場(chǎng)的頂板安全和安全作業(yè)空間，保證了放煤作業(yè)的連續(xù)性，避免了作業(yè)人員進(jìn)入后溜破碎矸石，創(chuàng)造了良好的工作環(huán)境。

（2）更換完畢支架插板頂后，通過(guò)支架插板破碎大塊硬煤和破壞掩護(hù)梁上方的“煤拱”和“煤矸拱”，在提高煤炭回收率的同時(shí)，隔絕了采空區(qū)大塊矸石進(jìn)入后溜，保證了N2103工作面安全高效生產(chǎn)。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

（1）N2103 工作面實(shí)行“二九一六制”組織生產(chǎn)，即2 個(gè)生產(chǎn)班、1 個(gè)檢修班生產(chǎn)。N2103 工作面剩余回采長(zhǎng)度468 m，日循環(huán)3.0 刀煤，每刀進(jìn)尺0.8 m，剩余可采期為195 d。以每個(gè)生產(chǎn)班后溜涌煤影響1 h進(jìn)行計(jì)算，預(yù)計(jì)節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間350 h，N2103 工作面可以提前27 d回采完畢。

（2）工作面75 組支架插板不動(dòng)作，造成3.2 m 厚的支架頂煤遺留采空區(qū)。更換支架插板頂后，按放煤回收率92%進(jìn)行計(jì)算，75 架×1.75 m/架×3.2 m×468 m×1.39 t/m3×92%=25.1 萬(wàn)t，即可多回收25.1 萬(wàn)t煤炭資源。

6 結(jié)語(yǔ)

本研究的安全和經(jīng)濟(jì)效益分析是基于N2103 工作面目前的支架插板和插板頂?shù)那闆r。值得注意的是，若不積極采取安裝支架插板和更換插板頂措施，隨著工作面的回采，N2103工作面整體支架的插板工況影響生產(chǎn)將變得更加突出。

通過(guò)以N2103工作面ZF10000/21/38型低位放頂煤支架缺失插板和插板頂不動(dòng)作為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)性地提出提前鋪設(shè)金屬網(wǎng)和上工字鋼管理支架頂板，安裝插板的準(zhǔn)備工作和工藝流程?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果明顯，可操控性強(qiáng)，為類似條件的放頂煤支架安裝插板提供了有益參考。