开采15＃煤层采用高可靠性液压支架的探讨

李树军，赵光明

开采15＃煤层采用高可靠性液压支架的探讨

李树军1，赵光明2

（1.晋城煤业集团成庄矿，山西 晋城 048000；2.晋城煤业集团金鼎公司，山西 晋城 048000）

为综合利用井下煤炭资源，晋煤集团着力15＃煤与3＃煤配采，而15＃煤的开采与3＃煤有很大不同，特别是在工作面的布置和液压支架的选型方面要求更高。通过对比分析支撑掩护式支架和掩护式液压支架主要优缺点，提出了适合15＃煤层开采的高可靠性两柱掩护式高端液压支架的设计方案，为工作面设计和液压支架选型提供了可行的技术参考，值得在今后15＃煤开采中推广应用。

15＃煤层；硬顶板；支撑掩护式支架；两柱掩护式高端液压支架；选型

晋煤集团随着3＃和9＃煤的资源枯竭，15＃煤将成为主采煤层。因此，探索合理先进的煤层开采的配套设备是非常必要的。15＃煤层的顶、底板坚硬、煤层赋存稳定，通过对集团公司各矿15＃煤层的赋存条件和地质构造的分析，参照王台铺矿15＃煤层首采面矿压观测数据等资料，分析15＃煤层开采使用高可靠性两柱掩护式高端液压支架设备的可行性。

1 液压支架合理参数和架型选择

目前，15＃煤层开采用的是ZZ8000型支撑掩护式支架。中厚煤层一次采全高液压支架主要有两种：掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架。这两种液压支架与工作面围岩相互作用形式有所不同，使用条件、结构特点等也有所区别。

1.1 支撑掩护式（四柱）支架主要特点

1）由于有两排立柱，顶梁和底座都较长，通风断面大，但整体长度较长。

2）前、后柱载荷差别较大，立柱的实际支撑效率较低。

3）支架的伸缩值较小，适应煤层厚度的变化能力较小。

4）由于立柱较多，支架升、降速度较慢。

1.2 掩护式液压支架主要特点

1）单排立柱支撑，加上平衡千斤顶的作用，支撑合力距离煤壁较近，可有效防止端面顶板的早期离层和破坏。

2）平衡千斤顶可调节合力作用点的位置，增强了支架对顶板的适应性。

3）支架调高比大，对煤层变化较大的工作面适应性较强。

4）支架能使顶板向煤壁水平方向施加支护力，有利于维护顶板的完整。

5）顶梁和底座较短，便于运输、安装和拆卸。

传统观念认为，掩护式支架适用于基本顶来压较小、直接顶稳定性差、底板较硬的工作面；支撑掩护式支架适用于稳定顶板和坚硬顶板，支架切顶性能强，底座前端对底板比压小。随着国内外煤矿开采对岩层控制认识的深入，新的研究发现，四柱支架由于四个立柱不可能同时受力，实际使用中往往发生前后立柱受力不均匀现象，大部分是后排立柱承载大而前排立柱承载小，掩护式支架由于只有一排立柱，顶板下沉后很容易使立柱完全承载。四柱支架的支撑效率明显低于掩护式支架。此外，大缸径立柱及抬底座机构的应用扩大了掩护式支架的应用范围，从而改变了人们过去对掩护式支架的认识。

近20年来，德国、美国及澳大利亚等发达国家综采使用的支架均以掩护式液压支架为主。高工作阻力、高可靠性掩护式支架由于支护合力的提高，切顶能力相应得到提高，也可适应坚硬顶板的条件。另外，掩护式支架结构及操作简单、方便，动作循环时间短，对提高工作面产量和提高劳动效率明显，特别适用于高产高效工作面。目前，我国除放顶煤及铺底网等支架外，支架选型时也采用两柱掩护式支架，使用后效果明显。由于它的优越性，目前已经成为国内外的主流架型。

2 液压支架设计方案

2.1 支架总体设计指标

1）型式试验按“MT312－2000”标准和欧洲EN标准进行加载型式试验30 000次。

2）确保满足单面年产150万t以上设计能力。

3）支架主体寿命大于30 000次工作循环。

4）控制方式采用电液控制。

2.2 液压支架主要技术参数的确定

2.2.1 合理支架工作阻力确定

1）参照王台铺矿15＃煤层首采面矿压观测数据，确定寺河二号井综采工作面合理支架工作阻力。

王台铺矿15＃煤层首采面支架工作阻力观测见表1，时间加权平均阻力为4 638.659 kN，支护阻力均方差为1 064.533 kN，如按平均值加两倍均方差，再考虑1.2的安全系数，并考虑支架支护效率0.85～0.95，则推算合理工作阻力应达到8 548～9 554 kN。依据晋城寺河二号井15＃煤层围岩特点，液压支架工作阻力选10 000 kN是合适的。

2）对比王台铺矿与寺河二号井15＃煤层上覆石灰岩厚度及处理效果确定寺河二号井综采工作面合理支架支护强度。

如前所述，王台铺矿和寺河二号井15＃煤层上覆K2石灰岩厚度分别为8.41～10.26 m（平均9.0 m）和10.29 m。

王台铺矿经超前预裂爆破弱化石灰岩后，首采工作面基本顶老顶初次和周期来压动载系数分别为1.78（最大）、1.58（平均）和2.03（最大）、1.57（平均）。

P＝8·m·r·q＝104 t／m2＞1.0 MPa

式中：

P—依晋城寺河二号井15＃煤层上覆岩层确定的支架应具备的合理支护强度，t／m2；

m—平均采高，m；

r—岩石容重，t／m3。

支架工作阻力的确定见表1。

表1 支架工作阻力的确定表

2.2.2 合理架型选择

王台铺矿15＃煤层综采首采面采用的是ZZ6000／17／32型支撑掩护式支架，发现采空区侧常有悬顶，特别是两端经常存在三角形悬顶。其中：非基本来压时，工作面最大悬顶长度达8～10 m，一般端头三角区悬顶长度4～7 m；中部悬顶2～6 m。

基本顶来压时，工作面中部悬顶长度2～7 m，两端悬顶长度2～7 m。显然，选用四柱支撑掩护式支架切顶能力尚不够强。

同时应用ZZ6000／17／32型支撑掩护式支架工作面煤壁片帮并不十分严重。其中：非基本来压时，煤壁片帮主要集中在中部，长度2～3 m，深度100～250 mm；基本顶来压时，煤壁片帮也主要集中在中部，长度3～10 m，深度200～600 mm。

由上面数据来看，四柱支撑掩护式支架切顶能力不足，水平推力尚可。而两柱掩护式支架水平推力大是其优点之一，选用两柱掩护式支架可提高支架工作阻力（10 000 kN）来加大支架整体支撑能力及切顶能力，加之优化其四连杆机构，采用短掩护梁等措施，防止采空区垮落岩块砸支架机尾，同样可以克服两柱掩护式支架切顶能力稍差的弱点，解决支架切顶能力不足的问题。

总之，对于寺河二号井15＃煤层综采工作面以选用两柱掩护式支架为佳。

2.2.3 支架宽度的确定

鉴于选用两柱掩护式支架，其工作阻力达10 000 kN，支架立柱缸径达400 mm，采用1.5 m宽支架立柱难以布置，故选用支架宽度1.75 m为宜。

2.2.4 支架操作方式选择

鉴于15＃煤层综采工作面要求快速推进（日进9.6 m），保证高产（4 000 t／d），故要求液压支架快速移架。

如采用手工操作时，移架速度应为：

Vy＞Ky·V·C＝1.2×2.2×1.3＝3.4

式中：

Ky—不均衡系数，一般取1.17～1.22；

V—采煤机平均牵引速度，m／min；

C—能力富裕系数，取1.3。

N＝Vy／J＝3.4／1.75＝2.0

式中：

N—单位时间移架台数，架／min；

J—支架中心距，m，取1.75。

如用手工移架，每30 s移1架，每班要进4个循环，即使是手工移架可以跟上采煤机割煤，但其劳动强度大。支架安装电液控制系统保证快速推进是寺河二号井15＃煤层综采增产高效的需要。

2.2.5 乳化液泵站选用

LRB360～400／31.5型乳化液泵站（其流量360～400 L／min，压力31.5 MPa，功率250 kW，配套液箱容积2 000 L。

总之，为了适应晋城寺河二号井15＃煤层综采工作面高产稳产，液压支架工作阻力应定为10 000 kN；架型为两柱掩护式；优化四连杆结构，采用短掩护梁结构，防止支架尾部受砸；安装电液控制系统，并配置大流量乳化液泵站，保证工作面高产高效。

2.3 配套措施

1）15＃煤层上覆岩层属难冒顶板，故应采用两巷超前预裂爆破软化顶板，为其开采创造良好条件。

2）如选用国产成套设备日进15刀，在平均采高2.6 m，工作面长度150 m，采煤机截深为0.6m，采用“四六”工作制可以实现综采工作面日产4 000 t、年产120万t。

3 经济效益分析

因采煤机、刮板机与原支架配套设备基本相同，液压支架由原四柱支撑掩护式变为两柱掩护式后，架宽由1.5 m增加到1.75 m，支架重量由20 t／架增加到26 t／架，150 m工作面支架数量由原100架减少到86架，每套支架增加投资800万元；同时高可靠性配套设备可以延长设备使用寿命及节省运行成本。

1）根据国内外高可靠性支架使用经验，其寿命可比普通支架增加20%～30%。

2）高可靠性支架在全寿命期内可比普通支架至少减少1～2次大修。每次大修费用及上、下井运输费用相当于设备原值的约30%，每减少一次大修可基本抵消初期投资增加的费用。

3）高可靠性支架可大量减少配件消耗，降低运行成本。

4 结束语

选用高可靠性配套设备需要适当增加初期投资，但可以相应延长设备的使用寿命，减少大修次数，减少配件消耗，提高设备开机率，有利于工作面高产稳产，效益显著。

Discussion on Using High Reliability Hydraulic Support in Mining No.15 Coal Seam

Li Shu－jun，Zhao Guang－Ming

For comprehensive utilization of underground coal resources，Jincheng coal group focus on mixed mining of No.15 coal and No.3 coal，but No.15 coalmining and No.3 coal has very different，especially on the face layout and hydraulic support selection has higher demand.Through comparative analysis ofmain advantages and disadvantages of standing shield type supportand shield type hydraulic support，puts forward the design scheme of high reliability two column shield type high－end hydraulic support suitable for No.15 coal seaMmining，for the working face design and the hydraulic support selection provides a feasible technical reference，and it isworthy of popularization and application in No.15 coalmining hereafter.

15＃coal seam；Hard roof；Standing shield type support；Two column shield type high－end hydraulic support；Type selection

TD355＋.4

B

1672－0652（2013）04－0014－03

2013－01－13

李树军（1971—）男，山西长治人，1993年毕业于太原理工大学，工程师，主要从事矿山生产工作，（E－mail）czxxclsj＠jccoal.com