放顶煤液压支架应用和选型趋势研究

李胜军，王彪谋，李成喜

(1.阳泉煤业(集团)有限责任公司，山西 阳泉 045000；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；3.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013；4.鄂尔多斯市国源矿业开发有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017100)

综 述

放顶煤液压支架应用和选型趋势研究

李胜军1，王彪谋2，3，李成喜4

(1.阳泉煤业(集团)有限责任公司，山西 阳泉 045000；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；3.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013；4.鄂尔多斯市国源矿业开发有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017100)

综采放顶煤开采以来，虽然应用四柱放顶煤液压支架比较普遍，但是该架型前、后柱受力不均，有效支护效率低是造成工作面顶煤及顶板出现片帮冒顶的主要原因。近十年的发展和应用研究表明，两柱放顶煤液压支架不仅技术成熟且优越性突出，已经被大量推广应用。要针对煤层开采条件和配套设备特点进行个性化配套选型和液压支架设计，防止重大技术问题和事故的发生。

四柱放顶煤支架；两柱放顶煤支架；选型趋势

综采放顶煤开采以来，虽然应用四柱放顶煤液压支架比较普遍，但是该架型前、后柱受力不均，在松软煤层顶煤放出后后柱阻力下降表现突出，经常出现支架顶梁低头、前立柱涨缸、后立柱拉坏等现象，有效支护效率低，是造成工作面顶板及顶煤管理出现片帮冒顶的主要原因之一。近十年的技术发展和应用研究表明，两柱放顶煤液压支架不仅技术成熟而且优越性突出，现在被大量推广应用。放顶煤工作面液压支架选型是设备选型中的重点和难点，要针对煤层开采条件和配套设备特点，采取科学合理的设计方法，进行个性化配套选型和液压支架设计，才能防止出现不必要的重大技术问题。通过对国内外一些代表性煤矿放顶煤工作面进行调研和计算分析，认为两柱放顶煤液压支架与其工作面围岩条件具有良好的适应性，有利于实现工作面安全高效自动化开采。

1 现场应用调研

调研国、内外代表性煤矿综放工作面及所用液压支架架型见表1所示。

表1 综采放顶煤工作面及液压支架架型

1.1 同煤大唐塔山煤矿

开采3～5号合并层，煤层厚度6.82～18.42m，平均12.88m，煤层直接顶板为炭质泥岩、砂质泥岩，厚度平均12.91m；基本顶板为中粒砂岩、粗砂岩，平均厚度4.7m，底板为炭质泥岩、砂质泥岩。

8107工作面配备国产ZF15000/28/52型四柱支撑掩护式放顶煤液压支架，支架中心距1.75m，支护强度约为1.4MPa。普遍存在前后柱受力不均，后柱受力较小，甚至出现拔后柱现象。

1.2 伊泰集团酸刺沟煤矿

内蒙古伊泰酸刺沟煤矿开采6上煤层，煤层厚度6.3～11.8m，平均9.76m，直接顶板为中粒砂岩、泥岩，平均厚度9.61m，基本顶板为粗粒砂岩，平均厚度26.35m，底板为灰色泥岩。采用大采高综放开采技术，生产能力超过12Mt/a。

首采面布置在6105工作面，工作面长245m，均为国产设备，配备ZF15000/26/42型四柱支撑掩护式放顶煤液压支架，矿井开采初期出现了支架大面积压死事故，支架柱窝压穿、柱销拉弯等损坏,严重影响了工作面正常生产，后续工作面采用了ZF21000/25/45D型四柱支撑掩护式放顶煤电液控制支架，基本满足正常开采，但由于各种原因仍然有个别支架出现压死现象。

1.3 中煤平朔安家岭井工一矿

开采9号煤层，厚度10.6～14.6m，平均11.9m。直接顶板为泥岩、炭质泥岩，厚度0～3.73m，平均1.12m；基本顶为泥岩与砂质泥岩互层，平均厚7.83m；底板为泥岩、砂质泥岩。

工作面配备国产ZFY12000/23/40D型两柱掩护式放顶煤电液控制支架，支架中心距1.75m，支护强度1.25MPa。支架有效支护强度高，顶梁前端支顶力大，有利于保持梁端顶板的完整，减少工作面煤壁片帮、冒顶，针对工作面矿山压力显现剧烈，两柱掩护式综放支架很好地满足了工作面支护要求。该矿区2009年经天地科技北京开采所论证后开始成功应用两柱放顶煤电液支架，现在全矿区已全部淘汰了四柱放顶煤液压支架。

1.4 神华保德煤矿

开采8号煤层，平均厚7.1m，坚固性系数约0.72，属软弱煤层。直接顶为含砾粗砂岩、泥岩，厚度平均2.4m；基本顶为砂质泥岩、粗砂岩，厚度平均12.15m；底板为细砂岩、粉砂岩、泥岩。

工作面配备国产ZFY10200/25/42D型两柱掩护式放顶煤电液支架，支架中心距1.75m，支护强度1.1MPa，该矿多套两柱掩护式放顶煤电液支架使用状况良好；受制于煤层瓦斯含量高，工作面设备产能并没有完全释放，但工作面设备开机率高，能够实现8Mt/a能力要求。

1.5 神树畔煤矿

神树畔煤矿开采3号煤层，厚度10.52～11.75m，平均11.16m。

工作面均为国产设备，ZFY17000/27/50D型两柱掩护式放顶煤支架，电液控制，支架中心距2.05m，支护强度1.4MPa；已顺利通过了工作面初次来压(步距52m)，周期来压(步距29m)，液压支架状态良好，工作面设备运转正常。

1.6 内蒙古满世集团罐子沟煤矿

罐子沟煤矿开采6号煤层，厚度11～29m，平均厚度15.45m，机采高度3.5～4.0m，放顶煤高度11.65m，矿井生产能力达到7.3Mt/a。

工作面均为国产设备，2009年配备ZFY8600/25/42两柱掩护式放顶煤支架，4年开采7个工作面未升井大修，已成功实现单一工作面年产7.3Mt。随着煤层厚度加大，2013年底新购置1套ZFY12000/26/47型两柱掩护式放顶煤支架。

1.7 澳大利亚奥思达煤矿

奥思达煤矿煤层埋藏深度300～650m，煤层上覆巨厚砂岩层，煤层厚度范围为6～7.5m，煤层节理发育，主要设备为BUCYRUS(原DBT)生产，已经在井下连续运行6a有余，使用状况良好。每个生产班共由7名工人组成，其中放煤工2人在工作面操作，其余人员在工作面巷道完成对胶带输送机、转载机、采煤机、刮板机、液压支架的操作控制，实现工作面安全高效自动化开采。

1.8 阳泉煤业集团

阳泉煤业集团是我国最早大规模成功使用综合机械化放顶煤开采的单位。矿区大部分为中硬煤层，煤层节理发育易冒落，顶板多为砂质泥岩和细砂岩。2012年天地科技股份有限公司开采设计事业部为阳煤集团成功设计了1套ZFY5800/16/30型两柱放顶煤液压支架，井下应用效果良好。2013年开始整个矿区先后设计研制了共8套两柱放顶煤电液控支架，其型号为ZFY5800/17/32D型(5套)，ZFY7800/17/32D型(1套)，ZFY13000/24/40D型(3套)，分别成功应用在阳泉、寿阳、临汾、保德等矿区，两柱放顶煤液压支架成为技术主导架型。

2 四柱和两柱放顶煤支架关键参数对比分析

在支架工作阻力和配套设备相同的条件下，两种支架其关键参数对比见表2。

表2 两种支架关键参数对比

通过对比分析可以看出：

(1)在支架工作阻力和配套设备相同的条件下，一般两柱支架比四柱支架的顶梁短约300mm以上，两柱支架的支护强度相对较大。

(2)正常工作状态下四柱放顶煤支架顶梁平衡区的范围主要分布在前、后立柱的中间。两柱放顶煤支架顶梁平衡区的范围主要分布立柱前后附近，通过平衡千斤顶调节支架合力作用点变化的范围。当支架后部顶煤放空后,支架外载合力作用点前移，前、后立柱受力不均，当超出四柱支架顶梁平衡区的范围时，前、后立柱受力差别很大，严重时后立柱受拉力。

(3)正常工况下，两柱支架比四柱支架的底板前端比压相对要大。四柱支架当支架后部顶煤放空后,支架合力作用点前移，底座前端比压也会相应增大。不论是两柱还是四柱放顶煤支架，通过科学合理地优化设计，同时底座前部设置抬底装置，使支架适应软底板的工况，能够实现顺利移架。

(4)四柱支架为防止前后柱受力差别过大，一般采用分体铰接顶梁，前梁最前端支护能力取决于前梁千斤顶的能力，一般在600kN以内。两柱支架宜采用整体顶梁，平衡千斤顶具有调节合力的位置作用，通过计算对比，两柱支架顶梁前端支顶力和后端切顶力均大于四柱支架。梁端支撑力越大，支架对顶板支护和控制能力越强，可有效防止片帮冒顶。后部切顶力大，有利于顶煤破碎垮落。

3 四柱放顶煤液压支架特点

近三十年以来，由于受各种因素的影响，我国放顶煤工作面主要使用四柱放顶煤液压支架，其主要特点是：

(1)感观方面认为四柱式支架(图1)四平八稳，操作直观，在操作过程中容易保持顶梁处于水平状态。

图1 四柱放顶煤液压支架

(2)在顶煤和顶板比较完整的条件下使用四柱支架故障较少，支架底座前端对底板比压相对小，在底板极软的条件下有利于移架。

(3)立柱缸径较小，维修方便。

(4)支架在使用中存在的问题是：前、后排立柱受力不均衡，支架工作阻力达不到设计额定值，支护效率低，经常出现后立柱受拉，销轴拉弯，前立柱涨缸漏液，支架压死等故障。为避免支架前、后柱出现受力不均，四柱支架一般不采用整体顶梁，通常采用主体顶梁带铰节前梁。由于铰接前梁支撑力小，易造成片帮和冒顶。四柱支架液压系统复杂，配置电液控制系统支架自适应性不好。

4 两柱放顶煤液压支架的特点

近十年以来，随着设计制造技术水平的发展，大缸径、大工作阻力、高可靠性的两柱放顶煤支架(图2)技术已经成熟，被大量推广应用，其主要特点是：

图2 两柱放顶煤液压支架

(1)两柱支架对围岩的适应性好，顶梁相对较短，支护面积小，支架支护强度高；两柱受力均衡，能充分发挥支架的支护能力，支护能力强。

(2)宜采用整体顶梁结构，结构简单可靠，顶梁前端支撑力大，有效防止顶煤片帮和冒顶。

(3)平衡千斤顶具有调节支架顶梁合力作用点的功能，能适应顶煤和顶板载荷的变化。

(4)配置电液控制系统自适应性明显好于四柱式支架，有利于实现工作面自动化，加快工作面推进速度，实现安全、高效开采。

5 结论与建议

(1)目前虽然应用四柱放顶煤液压支架架型较普遍，但是该架型前、后柱受力不均，一般前、后柱受力比值大约在1.11～2.23，前柱均大于后柱。在松软煤层顶煤放出后后柱阻力下降表现突出，经常出现支架顶梁低头，前立柱涨缸，后立柱拉坏，片帮冒顶，甚至发生支架压死重大事故。因此，不优先推荐选用四柱放顶煤液压支架架型。

(2)经过近十年的技术发展和大量成功应用，研究表明两柱放顶煤液压支架架型技术成熟，适应性强，优越性突出，问题较少。近年来，通过创新立柱连接形式，φ340mm，φ440mm大缸径立柱分别成功应用在1500mm和1750mm中心距的放顶煤支架，使两柱放顶煤液压支架的工作阻力和支护强度提高，适用范围进一步扩大，可满足工作面支护的需求，因此，优先推荐选用两柱掩护式放顶煤液压支架。

(3)两柱放顶煤液压支架建议优先采用整体顶梁结构，顶梁封闭性好，架前支护能力强，能有效防止片帮冒顶。四柱放顶煤液压支架优先采用前梁和顶梁铰节结构，减少前、后柱受力不均问题；如果采用整体顶梁结构，会加剧前、后柱受力不均、容易造成支架压死、支架损坏等问题，因此需要选用约1.5倍工作阻力的重型液压支架。

(4)建议选用双伸缩立柱，增大支架伸缩比，使支架尽可能适应顶板下沉量，防止支架被压死等重大事故发生。

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[责任编辑：邹正立]

ApplicationofTop-coalCavingPoweredSupportandLectotypeTendency

LI Sheng-jun1,WANG Biao-mou2,3,LI Cheng-xi4

(1.Yangquan Coal Industry(Group)Co.,Ltd.,Yangquan 045000,China;2.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science &Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China;3.Coal Mining & Designing Research Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;4.Erdos Municipal Guoyuan Mining Development Co.,Ltd.,Erdos 017100,China)

It is typical that applying 4-prop top-coal caving powered support since full-mechanized caving mining came into use.But for this type of support,front and rear prop stress was unbalance which results in low supporting efficiency,this is main cause of roof falling and coal-wall slide in mining face.Ten years of development and application showed that 2-prop caving support was technically immature and had prominent superiority and had been largely spread into use.It is very important to make lectotype and design powered support according to coalseam mining condition and equipment character,and prevent great technical problem and accident.

4-prop top-coal caving powered support; 2-prop top-coal caving powered support; lectotype tendency

2014-04-15

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.001

国家高技术研究发展计划(863计划)课题；两柱式超强力放顶煤液压支架研制(2012AA06A407)

李胜军 (1971-)，男，河北井陉人，工学硕士，机械工程师，从事煤矿综采综掘设备选型配套和管理工作，机电设备管理中心副主任。

李胜军，王彪谋，李成喜.放顶煤液压支架应用和选型趋势研究[J].煤矿开采，2014，19(5)：1-3，7.

TD355.42

A

1006-6225(2014)05-0001-03