综采工作面液压支架选型研究

刘 波 ，李春英

（1、太原理工大学机械工程学院， 山西 太原 030024； 2、大同煤矿集团几点装备公司中央机厂，山西 大同 037001）

引言

目前，广泛应用于综采工作面液压支架的类型有ZZ系列、ZD系列以及ZY系列[1]。液压支架的选型一般遵循两点原则：一是液压支架与顶底板要匹配；二是液压支架的支撑能力要满足要求。总之，液压支架的选型要充分考虑工作面的围岩状况，具体而言，支架选型压力小会造成塌方事故，压力过大会造成浪费。

1 支架与围岩相互作用的理论基础研究

支架与围岩相互作用的理论基础是基于对液压支架工作阻力和顶板下沉距离的研究。据研究表明：二者之间存在一个临界点。若液压支架的工作阻力高于此临界点的压力，则液压直接承受顶板的压力；若液压支架的工作阻力低于临界点的压力，则此时液压支架会发生变形的情况，一定程度上增大工作阻力对顶板的下沉有显著的效果。

综采工作面中的液压支架和顶板的围岩呈现一个对立统一的关系。只有保证所选液压支架的型号与综采工作面的相互配合、协调才能够保证综采工作面经济、安全、高效的生产[2]。

2 液压支架外载荷分析研究

液压支架是由底座、顶梁和立柱以及其他辅助装置组成的。根据液压支架的结构形式可以将其分为：支撑式液压支架、掩护式液压支架、支顶掩护式液压支架以及支撑掩护式液压支架[3]。不同类型的液压支架其所对应的外载荷情况也各不相同。

2.1 支撑式液压支架的外载荷研究分析

支撑式液压支架支撑力的分布情况与单体液压支架有点相似，在液压支架不工作时，压力主要靠前排立柱承担，当顶板有压力传来时，压力主要靠后排压力承担。鉴于工作时后柱压力高于前排压力的情况，该类型支架主要适用于顶板比较完整或坚硬的情况。

然而，当顶板发生冒落的情况时，后柱的压力过大会给液压整体一个很大的水平推力，造成液压支架受损。因此，在综采工作面中冒落处安装木垛，或者将后柱压力改为拉力，对支架来进行掩护。

2.2 掩护式液压支架外载荷研究分析

掩护式液压直接适用于顶板比较破碎的综采工作面中使用，该类型液压支架的优势在于能够减小控顶的距离，从一定程度上减少了顶梁与顶板之间的支撑次数，进而提高了液压支架对顶板的支撑力。但是，当液压支架工作时立柱的工作阻力并不能够完全体现到顶板的支撑力上，因为立柱与顶板呈一定的角度。

2.3 支顶掩护式液压支架外载荷研究分析

支顶掩护式液压支架结合了支撑式液压支架和掩护式液压支架的优势，该类型的液压支架的优势在于：支顶掩护式液压支架的工作空间大、受力情况好、具有很好的掩护特性。值得注意的是，只有将支架的工作阻力作用于立柱和顶梁的铰接处才能够充分发挥支架的作用，若支架的工作阻力未能作用在该位置，支架的整体工作性能将下降，而且还会对支架产生附加的力。

2.4 支撑掩护式液压支架外载荷研究分析

支撑掩护式液压支架与支顶掩护式液压支架相比，支撑掩护式液压支架的顶梁的长度较长，掩护梁的长度较短，一定程度上提高了支架的支撑力，并改善了支架底座与底板的受力情况。而且，该类型还有一定优势在于，当支架前方的受力点位于前排立柱上方时，此时液压支架的承载力与立柱的工作阻力相同，也就是说此时增加了液压支架的承载能力。除此之外，支撑掩护式液压支架对工作面顶面的适应能力强，对地面的适应能力也很强。

3 液压支架强度的分析研究

液压支架的承载能力很大程度上是由液压支架的工作阻力和初撑力决定的。

3.1 液压支架工作阻力的计算

液压支架的工作阻力是液压支架的关键参数之一，其计算方法也很多。常见的计算方法有：岩石自重法、动载系数法、载荷折算法、老顶来压步距法、顶底板移近量法、支架工作特性法、实测统计法、临界阻力法以及数值模拟法等[4]。

1）岩石自重法。我国对岩石自重法的研究相对比较深入，而且计算所得结果与实际相差不远。该方法是通过顶板来压时产生的冲击载荷来确定液压支架的工作阻力。

2）动载荷系数法。通过平均工作阻力和最大工作阻力等因素，确定液压支架的动载荷系数，进而求得液压支架的工作阻力。

3）载荷折算法。依据综采工作面情况相近的单体液压支柱的支护强度，采取一定的计算手段折算出液压支架的支护强度。该方法是基于大量数据的基础上实现的，因此具有一定的局限性。

4）临界阻力法。根据实际工作中液压支架的实际工作阻力确定为临界阻力，而后乘以一定的系数，最终确定了液压支架的工作阻力。

3.2 液压支架初撑力的计算

1）初撑力主要体现了液压支架从不平衡到平衡的发展过程。若所采用液压支架的初撑力低或者初撑力利用率低的支架很难保证液压支架工作达到一个平衡的状态，很容易发生顶板的事故。

2）初撑力从一定程度上决定了液压支架的工作阻力。据研究表明，当液压支架初撑力增加时，液压支架的平均阻力也相对增加，从一定程度上减少了直接顶被破坏的事故发生。

3）初撑力适当不仅可以增加液压支架的刚度，从而避免了顶板早起下沉的情况发生。

3.3 液压支架的选型原则

液压支架的选型主要指的是支架结构形式和工作阻力的确定。在生产中，主要根据采高、底板抗压入特性以及开采方式决定液压支架的结构[5]。根据我国的地理位置和地下每层的分布情况，支顶掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架比较适用，而支顶掩护式液压支架适用于顶板不稳定的工作面，支撑掩护式液压支架适用于顶板稳定而且来压强烈的工作面。

工作阻力和初撑力的选型主要依据3.1和3.2的内容。一般情况下，液压支架选型结束后需对支架的选型进行校核，主要完成对底座尖端比压的校验，并考虑适当的安全系数进一步优化液压支架的设计和选型。

4 结语

液压支架作为综采工作面的关键支护设备，其选型与综采工作面是否匹配决定着煤炭开采能否安全进行。通过对支撑式液压支架、掩护式液压支架、支顶掩护式液压支架及支撑掩护式液压支架外载荷情况分析，并结合液压支架相关参数的理论计算，为综采工作面的液压支架选型提供理论支撑。

[1] 王国法.液压支架技术体系研究与实践[J].煤炭学报，2010，35（11）：1 903-1 908.

[2] 董继先，郭媛，马安强.综采液压支架发展回顾与前瞻[J].煤矿机械，2004（12）：1-3.

[3] 王国法.工作面支护与液压支架技术理论体系[J].煤炭学报，2014，39（8）：1 593-1 601.

[4] 黄庆享，胡火明，刘玉卫，等.浅埋煤层工作面液压支架工作阻力的确定[J].采矿与安全工程学报，2009，26（3）：304-307.

[5] 王国法.大采高技术与大采高液压支架的开发研究[J].煤矿开采，2009，14（1）：1-4.