大采高液压支架选型研究

2018-10-23王雷鸣

机械管理开发 2018年10期

王雷鸣

（阳煤集团开元矿业有限责任公司，山西晋中 045405）

1 工作面情况介绍

本文选择某矿9712工作面为研究对象。该工作面西部为矿井边界，东面为已挖掘盘区运输巷道，南北分别连接9711工作面以及9713工作面。其中9711工作面已经开采，9713则属于正掘待采工作面。本工作面的走向长度为1 500 m倾斜长220 m；井下标高为558～623m，地面标高则为880～1103m不等；煤层厚度大，平均厚度为6.3 m；倾角小，均值为4°；容重1.45 t/m3；根据普氏硬度标准基本硬度为2～3，属于中硬度煤层。根据顶板的岩性特征、跨落难易度对该工作面的顶板进行分类，发现其包含全部三种顶板类型。其中直接顶的岩性条件为砂质泥岩，均厚为2.43 m，层理发育；老顶又称基本顶，其岩性条件为中粒砂岩，均厚为7.1 m；而伪顶的岩性条件为炭质泥岩，较薄，均厚仅为0.2 m。相对应的直接底的厚度为2.7 m，同直接顶岩性条件相一致为砂质泥岩老底为均厚6.52 m的泥岩结构[1]。

2 大采高液压支架选型的依据

根据该工作面条件，其属于大采高工作面。对于该类工作面进行液压支架选型主要是根据以下六个基本条件，分别是：

1）直接顶的稳定条件，是否属于破碎易跨落情况；

2）老顶的级别以及初次来压步距、周期来压步距、来压荷载、直接顶厚度等矿压显性参数；

3）底板的类型以及底板的各项参数条件，包括抗压缩刚度、容许荷载强度等；

4）工作面的采高大小，煤层的坚硬程度、层理分布、厚度变化等基本条件；

5）工作面的掘进方向以及煤层的倾角大小影响支架的类型；

6）工作面煤层瓦斯含量以及为保证掘进开采安全的通风断面的确定情况。

根据上述六个基本条件来看，结合液压支架的主要作用对象，顶板的条件是核心要素，其中包括顶板的岩性、类别、级别等。但是顶板在进行级别划分时，根据固有评级方法具有模糊性，因此要选择支护保护性高的支架[2]。

3 大采高液压支架的架型选择及主要参数的确定

3.1 大采高液压支架的架型选择

国内在进行大采高综采作业时，主要选择自移式支架，包括支撑式支架、掩护式支架、支撑掩护式支架等。根据上文指出的选型依据，其以顶板的分类为核心参考条件进行选型。根据我国的顶板分类方案规定，该类缓倾斜煤层的工作面直接顶的岩性条件为砂质泥岩，初次跨落步距27.4 m，应确定为2类中等稳定顶板类型。同时根据老顶的初次来压当量的计算公式：P=241.3ln（L0）-1505N+52.6h 其中 N 是直接顶厚度与煤层采高的比值，h代表煤层采高，L0代表老顶初压步距。根据公式可以计算初次来压当量。根据老顶的来压等级分类方式，该工作面的老顶属于不明显来压老顶，故分类等级为Ⅰ。根据直接顶、老顶的支架选型情况，如表1所示，本工作面宜选取两柱支撑掩护式支架。

3.2 大采高液压支架的主要参数确定方法

表1 液压支架架型选择（按顶板等级条件）

大采高液压支架选型的主要参数为工作阻力、初撑力以及支护高度的。通过科学的测算有利于支架稳定程度的提升。

3.2.1 支架工作阻力的确定方法

支架的工作阻力与支架强度直接相关。因此需要首先通过计算公式获得本工作面的支架支护强度，进而结合公式计算出支架的工作阻力。一般来讲进行支护强度的确定方法有三种，分别是经验估算法、顶板分类法以及实测统计法。以下只简绍经验估算法和顶板分类法。

1）经验估算法一般包括三种方法，分别是采高倍数容重法、威尔逊估算法，以及经验公式法。本文选取的是采高倍数容重法，其依据采高数倍的控顶去单位面积内的顶板容重来进行强度确定，计算公式为P=K×H×γ×10-2。其中：K代表作用于支架顶板的岩石厚度倍数，H代表工作面采高，γ代表岩石容重。

2）顶板分类法，根据老顶的级别按照综采工作面的强度规律，获得计算公式：P=72.3h+4.5L+78.9B-10.24N-62.1。其中h为采高，L为老顶周期来压步距，B为控顶高度，N为直接顶厚度与采高比。此时工作阻力的计算公式为Q=PBS/k，其中，k为支撑效率，根据选型支撑式掩护支架取值0.9进行计算，S为液压支架中心距离。根据上述计算方式获得工作阻力理论计算，根据安全生产条件，要求合理工作阻力要超过理论计算阻力的15%～20%之间，因此确定合理工作阻力的范围应后可以按照最稳定工况取工作阻力值。

3.2.2 支架初撑力、支护高度的确定方法

初撑力影响直接顶板支护的稳定性，能够保持围岩稳态，防止支架工作状态遭到破坏。除了根据理论计算外，支架的初撑力还会受到防冲击性性、工作面供液效率、液压控制元件的稳定运行条件等情况的影响，所以初撑力的实际取值要大于理论计算值，确定初撑力后，根据工作面采高，确定支架的支撑高度。

4 大采高支架适应性分析

根据上述理论计算方式获得了大采高工况下液压支架的合理选型，为了验证理论选型与实际使用的匹配程度，故对该支架选型的适应性进行分析，该分析主要通过初撑力、循环末阻力以及支架增阻特性来进行。现阶段的初撑力属于低初撑力，这不利于直接顶向老顶传递支撑力，造成端冒、冒空顶梁等风险，因此必须提升初撑力值；根据本文工作面的循环末阻力平均分布条件，稍大于两端支架压力，因此可以看出循环末阻力较小，工作阻力富余量满足循环末阻力条件；本工作面中处于一次、二次增阻类型达72%，根据顶板周期来压条件，需要进行多次急增阻，因此必须对初撑力进行加强，以减少增阻和急增阻的次数，提升支架的稳定性。