大采高综采工作面液压支架的选型研究

李志勇

（大同煤矿集团轩岗煤电有限责任公司梨园河煤矿， 山西 忻州 034114）

1 工作面地质概况

以梨园河煤矿的1341（3）工作面开采的13-1煤层为研究对象，该煤层的厚度从0.40～6.80 m不等，但煤层的平均厚度为5.00 m，其煤层为缓倾斜煤层，平均倾斜角度为12.1°。在煤层下部的局部地区存在有一层矸石，该部分的矸石大体为泥岩，其覆盖厚度平均为0.40 m。同时在距切眼438～683 m的距离内，由于断层的存在，煤层受到了影响，出现了煤层分叉的现象以及煤层厚度变薄。

该煤层的顶底板岩性稳定，直接顶主要由砂质泥岩组成，呈现深灰色，并含有大量的植化石，平均厚度为4.99 m，而局部区域为泥岩。老顶主要由中细砂岩组成，其平均厚度为7.76 m，主要呈现灰色、灰白色。直接底的主要组成部分为砂质泥岩，覆盖厚度为4.8 m，并夹杂有少量的薄层细砂岩。而老底主要由菱铁粉砂岩组成，平均厚度为6.5 m，局部地区夹杂有细砂岩。

2 液压支架选型原则

目前，我国所采用的液压支架有三种形式，分别为支撑式、掩护式和支撑掩护式[1]。支撑式液压支架的顶梁较掩护式液压支架长，有较大的支撑作用力；掩护式液压支架则有利于通风的进行；而支撑掩护式液压支架则兼具这两种液压支架的特点，支护效果较好。

液压支架的选型原则主要围绕围岩等级、煤层厚度、煤层倾角、底板比压以及瓦斯含量五方面进行。对于不同的围岩，煤层的顶底板情况不同，要根据顶底板的岩性、厚度、孔裂隙发育情况等确定围岩的等级。当煤层的直接顶较稳定，而且没有强烈的周期来压时，液压支架的形式一般选用掩护式[2]。

煤层厚度以及煤层倾角的大小对液压支架的选型设计也有一定程度的影响，具体体现在液压支架的支护高度以及稳定性选择上。煤层厚度的变化决定了液压支架的支护高度的范围，对于掩护式支架来说，它的支架变化范围大，能较好地适应煤层的变化情况，而对于支撑掩护式支架，它所能适应的煤层厚度一般为1.0～4.5 m。同时液压支架的稳定性会随着煤层倾角的增大而逐渐减小，所以在大采高综采工作面中一般都会对液压支架设置防倒、防滑装置。

除上述影响因素以外，液压支架的选型还与底板比压和瓦斯含量有关。瓦斯含量越高，工作面对通风的要求就越高，所以在选择液压支架时应该优先采用通风断面大的液压支架。与此同时液压支架对底板的压力不允许超过底板的抗压强度[3]。

在选择液压支架架型之前，需先对煤层的顶底板情况进行分级。根据我国煤炭工业部颁发的相关法规可知，对于岩石厚度为4.99 m，且岩石岩性为砂质泥岩的直接顶来说，该类直接顶属于2类中等稳定顶板。对于基本顶来说，由于基本顶的岩石大部分为中细砂岩，而且周期来压比较强烈，所以属于2级基本顶。而对于直接底来说，岩石大部分为砂质泥岩，且平均厚度为4.8 m，所以属于4类中硬直接底。基于以上顶底板分级情况以及该煤层厚度变化情况比较大，应该选择可调范围比较高的支架。

根据煤炭工业部颁发的相关规定可知，两柱支顶掩护式液压支架适用于 1、2、3 类直接顶，1、2、3级基本顶以及2类以上的底板的岩层组合，所以该工作面选择两柱支顶掩护式液压支架。虽然该种液压支架上的底板比压比较大，但是它的受力情况均匀，具有较轻的质量，可伸缩的范围大，并且这类液压支架的移动速度快，可以在较短时间内实现支架的升降过程，支护效果好。

3 液压支架主要参数的确定

3.1 液压支架高度的确定

液压支架的高度由两部分组成，分别为支架的最大高度以及最小高度，其计算方法见公式（1）（2）：

式中：Hmax为支架的最大结构高度；Hmin为支架的最小结构高度；S1和S2分别代表支架前柱上方以及后部上方的顶板下沉量，在这里S1和S2分别取0.1 m和0.2 m；hmax和hmin分别代表煤层的最大可采高度以及煤层的最小可采高度，在这里hmax和hmin分别取6.8 m和3 m；a表示支架向前移动时支柱的可伸缩量，在这里a≥0.05 m；c表示支架与煤层顶板之间存在的浮煤以及浮矸的厚度，在这里取0.1 m。

通过计算可得Hmax=6.7 m，Hmin=2.65 m。

所以，可以确定该两柱支顶掩护式液压支架的支撑范围为2.65～6.7m。

3.2 液压支架工作阻力的确定

在确定液压支架的工作阻力时，可以由以下三种方法比较确定。

1）采用载荷估算法可以确定液压支架的合理支护强度，其计算方法见公式（3）：

式中：K1为影响系数，在本研究中取6；hm为煤层的可采高度，取6 m；γ代表岩石的容重，为25 kN/m3。经过计算可得p1为0.90 MPa。

2）采用老顶来压步距法可以确定液压支架的支护强度，其计算方法见公式（4）：

式中：L1代表老顶初次来压步距，取25 m，K代表动载荷系数，取2。通过计算可得p2=0.70 MPa。

3）除上述两种方法以外，还可以采取顶板分类法来确定液压支架的支护强度，其计算方法见公式（5）：

式中：Lp代表老顶周期来压步距，取15 m；Bc代表煤层的控顶高度，取5 m；N代表煤层直接顶厚度与煤层可采高度的比值，0.83。经过计算可得p3为825.2 kN/m2=0.82 MPa。

通过上述分析，可以取这三种支护强度中的最大值作为该煤层液压支架的支护强度，即0.9 MPa。又因为该煤层的最大控顶距为5.6 m，液压支架的宽度为1.75 m，且最大片帮的距离为1 m，所以经过计算可得液压支架上的可支护面积为11.55 m2。因此支架的工作阻力为10 395 kN。

3.3 液压支架初撑力的确定

液压支架的初撑力的大小对支架的工作状态影响极大，如果初撑力较小，那么直接顶的稳定性以及围岩的平衡状态就会发生变化，所以要确定液压支架的初撑力。

由该煤层的地质条件可知，初撑力为液压支架工作阻力的80%，所以经过计算可得支架的初撑力为8 316 kN/架。

4 液压支架的结构要求

对于大采高工作面来说，采煤高度较高，在这种情况下，煤壁发生片帮的情况时有发生，而且由于采煤高度的增加，局部煤层可能会发生冒顶，矿山压力显现强烈，因此为了保持液压支架的稳定性以及对工作面的适应性，必须考虑液压支架的工作结构[4]。

在大采高综采工作面，所采用的液压支架必须保证支架的横向稳定性，并且设置防止液压支架倒塌或者滑动的装置，此时可以将工作面排头的三架支架组合起来，作为保持支架横向稳定性的基础。同时该类液压支架的顶梁必须能同时向顶梁的两侧进行调整，提高支架顶梁的支撑力。除此之外，还应设置底座调架结构以及护帮板，合理设置支架的尺寸，保证井下运输的正常进行。

5 液压支架型号的确定

通过以上的分析和计算，可以得出梨园河煤矿1341（3）工作面的液压支架的工作参数，其支撑高度为2.65～6.7 m，工作阻力为10395kN，再结合淮南矿区总体的液压支架使用情况，选择ZY10800/30/65D型两柱支顶掩护式液压支架，主要技术参数见表1。

表1 液压支架的主要技术参数

6 结论

在实际生产过程中，由于梨园河煤矿1341（3）工作面的煤层倾角平均为12.1°，而且煤层的顶底板情况良好，再加上此类型的液压支架底座较大，设有防倒防滑装置，所以支架在工作面的稳定性较好。同时该支架可调整的高度范围为3.0～6.5 m，可以很好的适应煤层厚度的变化[5]。当顶板上覆岩层在矿山压力的作用下出现运动时，该支架的工作阻力也可以很好地阻止这种情况的发生。除此之外，在顶板初次来压的过程中，支架的安全阀基本上处于关闭状态，而支架的工作情况还十分良好，可以满足煤矿生产的需要。因此，ZY10800/30/65D型支架选型合理。