小紀汗煤礦大工作阻力液壓支架改進設計

程 駿

中煤科工開采研究院有限公司 北京 100013

華電榆橫小紀汗煤礦位于榆林城西北 12.5 km，行政區(qū)劃隸屬榆林市榆陽區(qū)小紀汗鄉(xiāng)。井田南北寬 7.88～14.33 km，東西長 13.05～23.43 km，面積約 251.75 km2。估算井田地質(zhì)儲量為 3 171.57 Mt，工業(yè)儲量為 2 642.94 Mt，設計可采儲量為 1 801.59 Mt。礦井建設規(guī)模為 10.00 Mt/a，設計服務年限為 120.1 a。

1 工作面情況

11213 綜采工作面位于 2 號煤 11 盤區(qū)北翼。工作面煤層底板標高為 835～865 m，地面標高為 1 213～1 230 m，工作面推進長度為 3 625 m，工作面長度為 279.5 m。煤層傾角為 0°～1°，平均傾角為 0.7°，煤層厚度為 2.84～5.28 m，平均厚度為 4.70 m。煤層直接頂板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，其次為中-細粒長石砂巖，少量炭質(zhì)泥巖；直接底板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，其次為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細粒長石砂巖。工作面采用傾斜長壁后退式全部垮落綜合機械化采煤方法，雙向割煤工序。工作面生產(chǎn)設備配置如表 1 所列。

表1 工作面生產(chǎn)設備配置Tab.1 Configuration of production equipments on work face

2 ZY12000/28/58D 液壓支架使用情況

2.1 液壓支架使用情況

工作面配套使用 ZY12000/28/58D 兩柱掩護式液壓支架。支架工作阻力為 12 000 kN，高度為 2 800～5 800 mm，總質(zhì)量約 43 t，采用整體頂梁、伸縮梁及二級護幫板的結構形式。

ZY12000/28/58D 液壓支架使用過程中出現(xiàn)了頂梁柱窩焊縫被壓裂、掩護梁腹板焊縫開裂、立柱安全閥大范圍泄壓等問題，如圖 1 所示，影響工作面正常推進。

圖1 現(xiàn)場情況Fig.1 Field situation

2.2 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

為保證事故分析的準確性，對兩種方式記錄的礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)進行分析，一種是工作面礦壓監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，一種是液壓支架電液控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。

2.2.1 礦壓監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

以 88 號支架為例，由工作面礦壓監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的立柱壓力曲線 (見圖 2) 可知，11213 工作面頂板礦壓顯現(xiàn)強烈，具有明顯的周期來壓特征，且來壓強度大，來壓影響時間長，一般影響距離為 5～7 m，影響時間為 1～2 a。來壓影響時間內(nèi)，工作面正常推進并不能顯著降低工作面頂板壓力，說明頂板較堅硬，懸頂面積大，垮落步距長。

圖2 11213 工作面 88 號支架立柱壓力曲線Fig.2 Variation curve of pressure of column of support 88 on work face11213

2.2.2 電液控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)分析

圖3 所示為工作面電液控制系統(tǒng)通過安裝在立柱下腔的壓力傳感器采集到的支架工作阻力曲線?？梢钥闯?，11213 工作面具有明顯的周期來壓特征，非來壓期間，頂板壓力顯現(xiàn)緩和，來壓期間壓力多超過額定工作阻力，并且不同推進位置的來壓規(guī)律存在較大差異。工作面推進至 100～180 m，頂板來壓強度較大，支架工作阻力達到或超過了 14 000 kN，來壓期間，支架長時間以 14 000 kN 的高工作阻力運行。

圖3 11213 工作面推進 100～180 m 支架工作阻力曲線Fig.3 Variation curve of working resistance of support during work face 11213 advancing 100～180 m

3 ZY12000/28/58D 液壓支架損壞原因

通過對使用情況及礦壓觀測數(shù)據(jù)分析，ZY12000/28/58D 液壓支架損壞的主要原因如下。

(1) 工作面初次來壓及周期來壓強度大 由于 11213 工作面直接面對基本頂，頂板完整性較好，并不隨工作面的推進及時冒落，造成采空區(qū)懸頂。當懸頂垮落時，頂板采空區(qū)一頭著地，另一頭仍然壓在支架上直至頂板完全落地，造成支架較長時間承受頂板壓力而損壞。

(2) 支護強度設計值偏低 工作面安全閥大面積開啟，說明液壓支架支護強度設計偏低。通過調(diào)高工作面安全閥壓力可一定程度彌補支護強度偏低的缺陷，但會造成液壓支架結構件安全系數(shù)降低。

(3) 支架穩(wěn)定性差 周期來壓時，支架頂梁極易仰頭，致使壓力集中在掩護梁上，從而造成掩護梁斷裂。

(4) 焊縫質(zhì)量差 從現(xiàn)場液壓支架斷裂焊縫觀察，焊縫焊接不飽滿，部分焊縫質(zhì)量較差。

通過對 ZY12000/28/58D 型兩柱掩護式液壓支架頂梁柱窩和掩護梁腹板截面校核 (見圖 4、5)，可知當立柱安全閥開啟壓力由 43.3 MPa 調(diào)至 48.0 MPa 時，支架工作阻力可以由 12 000 kN 提高至 13 300 kN，但截面的安全系數(shù)由 1.239 降至 1.152。

圖4 頂梁柱窩截面處力學計算 (p=48 MPa)Fig.4 Mechanical calculation at socket section of roof beam (p =48 MPa)

4 ZY15000/28/58D 液壓支架設計

4.1 支護強度確定

圖5 掩護梁前端腹板處截面計算 (p=48 MPa)Fig.5 Mechanical calculation at front web of shield beam (p =48 MPa)

根據(jù)礦井實際地質(zhì)情況建立數(shù)值計算模型，采用 UDEC4.0 離散元數(shù)值計算工具，進行了支架支護強度為 0.8、1.0、1.2、1.4、1.5、1.6、1.7 MPa 的模擬，得到支架支護強度與頂板下沉量關系曲線，如圖 6 所示。

圖6 支護強度與頂板下沉量關系曲線Fig.6 Relationship curve between supporting strength and roof subsidence

由支架支護強度與頂板最終下沉量關系曲線可知：當支護強度增加到一定值后，支護強度繼續(xù)增加對控制頂板下沉量影響較小。通過對圖 6 進行分析發(fā)現(xiàn)，當支架支護強度為 1.5 MPa 時，工作面頂板下沉量隨支架支護強度增大而降低的程度明顯減小，建議支架支護強度大于 1.5 MPa。

4.2 支架主要結構特點

通過礦壓觀測及數(shù)值模擬，小紀汗煤礦 2 號煤層大采高工作面支架型號由 ZY12000/28/58D 調(diào)整為 ZY15000/28/58D (見圖 7)，達到了 1 750 mm 中心距支架的最大工作阻力，支護強度范圍為 1.62～1.68 MPa。

圖7 ZY15000/28/58D 兩柱掩護式液壓支架Fig.7 ZY15000/28/58D two-column shield hydraulic support

ZY15000/28/58D 型液壓支架主要結構特點如下：

(1) 液壓支架為兩柱掩護式電液控制液壓支架，采高范圍為 3.5～5.5 m；

(2) 支架采用整體頂梁，前部設有伸縮梁和二級護幫板；

(3) 頂梁與掩護梁的鉸接處具備防漏矸功能；

(4) 支架設有抬底裝置；

(5) 底座一側安裝底調(diào)千斤頂；

(6) 推桿為長推桿，移架步距 865 mm；

(7) 采用強力抗沖擊雙伸縮立柱，立柱缸徑為 450 mm，限位方式由常規(guī)內(nèi)置壓板結構調(diào)整為外壓式結構 (見圖 8)。

圖8 立柱外壓限位結構Fig.8 Structure of column limited by external pressing plate

4.3 主要技術參數(shù)

ZY15000/28/58D 型液壓支架主要技術參數(shù)如表 2 所列。

表2 ZY15000/28/58D 型液壓支架主要技術參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of ZY15000/28/58D hydraulic support

5 結語

結合使用現(xiàn)場情況及礦壓觀測數(shù)據(jù)，分析了原設計支架損壞的主要原因。11213 工作面初次來壓及周期來壓強度大，ZY12000/28/58D 液壓支架支護強度不能滿足工作面安全支護要求。通過礦壓觀測及數(shù)值模擬，將小紀汗煤礦 2 號煤層大采高工作面支架工作阻力確定為 15 000 kN。

ZY15000/28/58D 液壓支架在設計中提高了立柱抗沖擊性，增大了平衡千斤頂缸徑。該支架在后續(xù)11215 等大采高工作面使用中受力工況良好，未發(fā)生焊縫開裂、立柱泄壓等現(xiàn)象，可有效支護工作面頂板、防止煤壁片幫，在小紀汗煤礦取得良好的使用效果。