充填綜采液壓支架的支護特性研究及工程應(yīng)用

任鵬軍

（山西潞安集團左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司）

隨著科技水平的不斷提升和綜采技術(shù)的不斷進步，當(dāng)前充填綜采液壓支架已經(jīng)廣泛應(yīng)用在煤礦井下的綜采作業(yè)中，與傳統(tǒng)的液壓支架相比，充填綜采液壓支架不但能夠滿足對井下綜采作業(yè)時的支護需求，而且在后側(cè)設(shè)置了能夠供井下充填作業(yè)物料通過的通道，并對充填物進行夯實處理。充填綜采液壓支架的廣泛應(yīng)用，極大提升了煤礦井下綜采作業(yè)的效率和靈活性［1］。目前，國內(nèi)外學(xué)者在對充填綜采液壓支架的研究中，主要是針對其結(jié)構(gòu)特點、支護力等進行研究，均未系統(tǒng)地對充填液壓支架的充填特性進行分析。本研究基于長期的井下工作經(jīng)驗，提出了充填液壓支架充填特性概念，對影響充填可靠性的因素進行分析。

1 支架的支護強度和運動特性

液壓支架的核心作用是確保井下的支護穩(wěn)定性和安全性，由于井下地質(zhì)條件復(fù)雜多變，因此需要對液壓支架的支護強度和在支護時的運動特性進行分析，從而確保液壓支架的核心支護參數(shù)，提高在復(fù)雜地形條件下的支護穩(wěn)定性。

充填綜采液壓支架的支護強度主要是指液壓支架的單位支護面積對頂板的工作阻力，其體現(xiàn)了充填液壓支架對巷道頂板提前下沉量的控制能力，因此，只有支架的支護強度充足，才能夠?qū)崿F(xiàn)對頂板提前下沉的有效控制，為井下綜采作業(yè)和物料運輸保留安全可靠的空間。

充填綜采液壓支架的運動特性是指液壓支架在井下進行工作時，需要進行升架、降架、移架、夯實等作業(yè)［2］，其運動均是通過液壓執(zhí)行機構(gòu)控制的，運動時的協(xié)調(diào)性直接關(guān)系到煤礦井下的綜采、充填作業(yè)的安全性。本研究以ZZ5200/25/47型液壓支架為分析對象，利用三維建模軟件建立三維仿真分析模型，并利用其運動仿真分析程序?qū)Τ涮钜簤褐Ъ芄ぷ鲿r的運動特性進行仿真分析，結(jié)果如圖1所示。

由仿真分析結(jié)果可知，充填液壓支架在工作時，液壓支架的后頂梁比前頂梁的上升速度更快，從而導(dǎo)致了后頂梁在運動過程中產(chǎn)生輕微的翹起現(xiàn)象，其頂梁雙扭線的變化幅度達到了55.12 mm，當(dāng)液壓支架的采高在3 100 mm以上時，支架的頂梁有向著煤壁運動的趨勢，此時巷道頂板對頂梁的摩擦力方向是朝著采空區(qū)的，該狀態(tài)下對于確保充填綜采液壓支架工作的穩(wěn)定性最有利。因此在井下支護作業(yè)時，應(yīng)盡量確保充填液壓支架的支護高度要超過3 100 mm，確保支護作業(yè)的穩(wěn)定性。

2 夯實離頂距離及適應(yīng)性

液壓支架的夯實距離和適應(yīng)性是確保支架支護穩(wěn)定性的重要數(shù)據(jù)，因此需要對其影響因素進行分析，以便明確液壓支架的核心控制性能，提高在支護過程中的穩(wěn)定性。

充填綜采液壓支架的夯實離頂距離主要是指支架的后側(cè)夯實機構(gòu)展開后，其端部和巷道頂板之間的垂直距離，夯實離頂距離直接關(guān)系到煤礦井下物料的充實率，支架的夯實離頂距離與巷道結(jié)構(gòu)、煤層傾角等具有密切的關(guān)系［3］。

充填液壓支架對地質(zhì)條件的適應(yīng)性，主要是指充填液壓支架在不同巷道地質(zhì)條件下滿足支護、充填安全性的能力，根據(jù)各類型液壓支架的結(jié)構(gòu)特點和長期工作經(jīng)驗可知，四柱正連桿充填綜采液壓支架主要適用于煤層傾角大、巷道頂板條件差的支護環(huán)境，六柱正四連桿液壓支架則適用于煤層傾角較小、巷道頂板條件好的支護環(huán)境。

3 充填液壓支架充填性能控制

充填液壓支架工作時的夯實率是充填液壓支架的重要性能指標，其直接影響煤礦井下的支護安全和充填可靠性，因此在實際的井下支護作業(yè)中需要根據(jù)綜采支架的充填特性對其進行優(yōu)化控制，滿足井下充填支護的作用要求。綜合以上分析得出，影響充填特性的因素主要包括液壓支架的結(jié)構(gòu)特性、地質(zhì)條件、充填工藝等。因此，根據(jù)長期工作經(jīng)驗，總結(jié)液壓支架的充填特性控制原理如圖2所示。

由圖2可知，為了提升充填液壓支架的支護特性，在實際井下支護時，一方面要優(yōu)化綜采面的布局，以逆煤層傾角的方式形成俯采的作業(yè)條件［4-5］，增加支架夯實機構(gòu)的最大夯實角；另一方面要根據(jù)煤礦井下的實際地質(zhì)條件，選擇適合的充填綜采液壓支架結(jié)構(gòu)，同時在對充填物進行夯實的過程中需要盡可能確保足夠多的夯實次數(shù)，確保夯實率。

4 煤礦井下的工程應(yīng)用

以阜生煤業(yè)為例，原先井下支護選用的是四柱正連桿充填綜采液壓支架，但實際上井下頂板傾角小、頂板條件較為穩(wěn)定，采用該類型的支架在井下支護時移動困難。因此，分析各支架的性能參數(shù)，最終選用了ZZ5200/25/47型六柱正四連桿充填綜采液壓支架，提高了井下支護時的可靠性和靈活性。同時在使用過程中，針對性地采取了增加支架的夯實基礎(chǔ)等方式，用于確保充填液壓支架充填性能的充分發(fā)揮，提高充填率。

通過在充填液壓支架上設(shè)置傳感設(shè)備，對綜采過程中的頂板下沉量、夯實率進行檢查。結(jié)果表明，在充填支護期間，支架夯實力的均值約為2.14 MPa，頂板的下沉量約為90 mm，充填率約為92.4%，該型充填液壓支架滿足各項性能要求，確保了井下支護可靠性和夯實率。井下支護效果如圖3所示。

5 結(jié) 論

（1）在井下支護作業(yè)時，應(yīng)盡量確保充填液壓支架的支護高度要超過3 100 mm，確保支護作業(yè)的穩(wěn)定性。

（2）四柱正連桿充填綜采液壓支架主要適用于煤層傾角大、巷道頂板條件差的支護環(huán)境，六柱正四連桿液壓支架則適用于煤層傾角較小、巷道頂板條件好的支護環(huán)境。

（3）在實際工程應(yīng)用中，通過優(yōu)化液壓支架結(jié)構(gòu)、改善綜采面結(jié)構(gòu)布局、優(yōu)化充填工藝等能夠有效提升充填液壓支架的充填性能。