综采工作面支架适应性分析

2018-11-28张晓剑

机械管理开发 2018年11期

张晓剑

（同煤集团永煤公司，山西大同 037000）

引言

煤矿作为我国现阶段主要能源，存储量丰富，在我国化石能源中煤炭资源占比94%[1]。虽然近几年其他新能源利用比率不断提升，但在目前及今后一段时间内，煤炭仍将对国民经济的发展起着及其重要作用[2-4]。研究分析我国能源资源结构比例可知，煤炭作为主要能源，占据70%以上的一次能源需求[5]。但同时给煤炭安全生产提出更高要求，据统计我国的煤炭产量中只有约1/3为科学产能[6]，这就需要对煤矿安全高效开采进行深入研究。本文所研究的煤层地质条件较为复杂，开采过程中经常出现架前冒顶、支架压架、煤壁片帮等现象，严重影响回采速度。回采速度缓慢又会带来巷道维护困难、防火工作难度加大等一系列的不安全因素。

1 工作面支架简介

永煤矿工作面支架选用型号为ZF3000/17/28支撑掩护式液压支架，具体参数见表1，工作面支架控顶距如图1所示。支架顶梁前后端距离为3 542 mm，加长梁长度为1 200 mm，加长梁露出煤壁距离为600 mm，支架后柱到顶梁尾部尺寸为415 mm，前后立柱间距离为1 000 mm。

2 工作面支架适应性分析

2.1 工作面初撑力频率分布

采煤层支架在循环移架过程中，当支架移动到新的工作位置后，泵站供油使得支架升起重新接顶达到支护要求，此时支架内部的压力称为支架初撑力。支架初撑力的大小对工作面顶板的安全性具有重要影响，初撑力过小会严重降低工作面安全性，出现顶板压力过大时会导致立柱迅速下降，造成突发事故概率增大。下页图2所示为该工作面支架整体初撑力的频率直方图。从图可以看出，液压初撑力主要分布在0～1 600 kN范围内，所占比例达到74%，0～2 000 kN范围内，初撑力占比达99%。通过计算分析其平均初撑力为1 273.23 kN，只为额定初撑力的50.28%，可以得出该工作面支架初撑力偏低，存在一定安全隐患。

表1 ZF3000/17/28支架参数表

图1 支架受力模型图（单位：mm）

2.2 支架时间加权阻力频率分析

为了研究各支架利用效率，对该工作面支架的加权阻力进行统计。通过对矿压观测期的观测统计，得到工作面各液压支架加权阻力频率，具体统计见下页表2。

图2 支架初撑力频率直方图

表2 加权阻力频率统计表

通过对上述数据分析可知，该工作面各支架工作阻力分布出现偏载现象。对于25号支架出现33%的统计量超出支架额定工作阻力，65号支架出现63%的统计量超出支架额定工作阻力；而在2 520～3 000 kN范围内，25号～85号支架都占有部分统计比，85号支架占比高达56%，在来压期间将会有一定支架工作阻力超出其额定工作阻力。从以上统计结果可知，该工作面所选支架额定工作阻力偏小，不能有效保证工作面安全生产，并且有很大的安全隐患。

2.3 工作面支架偏载研究

通过对工作面各支架前立柱、后立柱所受工作阻力进行分析研究，可以更加明显发现支柱受力情况。图3—图5所示为15号、65号、85号支架受力情况图。

从各支架支护强度图可以发现，该工作面存在支架偏载现象，15号支架前立柱工作阻力大于后立柱阻力；65号支架则偏载较为严重，后立柱几乎受力为零；85号支架前后支柱工作阻力大致相同。

3 工作面支架受力模型建立

根据图6所示的支架受力模型图，分析其受力情况。具体参数如下：前立柱与后立柱间的距离为1 000 mm，顶梁尾部到支架后立柱的距离为450 mm，顶梁前段到后端距离为3 542 mm，加长梁前端煤壁露出长度为600 mm。F1为支架前柱受力大小，F2为支架后柱受力大小，F3为煤壁对加长梁的作用力。分析过程中假设支架顶部受均布载荷q，则支架在支柱、煤壁支撑力、顶部覆岩层载荷作用下受力平衡，其受力示意图如图7所示。

图3 15号支架支护强度

图4 65号支架支护强度

图5 85号支架支护强度

图6 ZF3000/17/28支架受力模型图

图7 ZF3000/17/28支架受力示意图

可得出支架平衡方程为：

式中：L1为顶梁尾部到支架后柱间距离，取450 mm；L2为支架前后柱间距离，取1 000 mm；L3为支架前部到顶梁端部距离，取3 542 mm；L4为加长梁前端露出煤壁距离，取600 mm；为q支架顶部所受均布载荷，取686 kN/m（计算中取顶梁长L=4 742 mm）。将上述参数代入公式后可得：F1=-500 kN，F2=2 958.8 kN，F3=384.4 kN。

通过上述计算结果可知，支架后立柱受力为负值，说明后支架处于受拉状态。在该工作面支架上安装长1.2 m、宽1.4 m加长梁后，支架控顶距增加，在顶部受到均匀载荷q后，支架两排立柱合理作用点到煤壁的距离增加，支架出现埋头现象。另外，在顶部覆岩层的作用下，支架尾梁受到向下作用力，支架后柱相应的受到拉力现象，从现场铰链销轴被弯曲和拉断的情况也可以验证后立柱受力情况。

为了进行更深入的分析前后立柱受力情况，根据该工作对支架前、后立柱安装的数字压力计数据进行采集，统计支架前立柱和后立柱阻力频率分布表如表3所示，直方图如图8所示。

根据上述分析可知，后立柱的平均阻力为1 399 kN，额定阻力3 000 kN，约占额定阻力的46.6%，受力为0 kN的后立柱占比17.8%，受力在0～800 kN范围内占比27%；而前立柱的平均阻力位2 033.38 kN，约占额定阻力的67.77%，受力在1 400～2 600 kN范围内占比为65%，说明前立柱受力主要分布在此范围内。分析结果表明该工作面前后立柱均存在一定的偏载现象，主要体现在后立柱受力普遍小于前立柱，沿着工作面支架严重倾斜，支架稳定性不好。这种情况将影响到支架移架，移架过程中往往需要在加长梁下方设置单体柱，增加各支架支撑力，从而保证支架的顺利移架，同时也大大增加了移架时间，影响采煤效率。

4 工作面移架时间分析

该工作面现场移架过程中发现，由于在支架前端安装了加长梁，支架重心前移，造成支架偏载现象严重。支架移架过程中经常出现倒架、压架以及支架埋头等现象，并且移架过程中需要在前端加长梁下方设置单体柱来协助移架。另一方面，由于支架存在偏心，为了防止支架底座倾斜，在移架过程还需要在底座处设置单体柱调整支架，完成各支架的调整。在移架过程中，工序较为繁琐，增加了移架时间，造成了移架时间与割煤速度间的矛盾，严重影响开机率。表4对工作面部分支架移架时间进行了统计，从表中可以看出，该工作面移架速度较慢，最短移架时间为7 min，最长移架时间达到23 min，工作效率较低，对工作面推进速度造成了严重影响。