综采放顶煤液压支架动态承载特性及适应性研究

吴文晓

（晋能控股集团朔州煤电公司，山西 朔州 038300）

综采高放开采具有提高破煤作用的围岩压力、增大通风断面、增大支架后方的冒落空间、优化采放比[1-2]等优点。在工作面支护等方面，采高的增加会对开采造成不利影响，如果支架稳定性变差，就会发生煤肋坍落、顶板塌落等事故，进而恶化支架与围岩的关系。在放顶煤工作面，由于顶煤活动支架荷载处于动态变化中，很容易造成支架失稳、煤体滑移和顶板垮落[3-5]。实践表明，即使支护阻力达到13 000 kN，在顶煤开采时较大的放顶煤工作面仍会发生支架破裂和煤滑现象。为了解决这一问题，将高回采放顶煤液压支架的研究与开发列为了重点科技技术，大阻力支架ZF15000液压支架已在煤矿成功研制并试验。本文分析了综采放顶煤开采中支架的动态承载特性及适应性，为综采放顶煤开采的安全有效生产和快速发展奠定了基础。

1 高放顶煤开采设备

采煤工作面设备是年产百万吨顶煤高回采工作面一级设备。3~5号煤层平均厚度为14.81 m，倾角为1°~3°，坚固性系数f为2.7~3.7，节理垂直开采。直接顶包括岩浆岩、炭质泥岩、页岩硅化物，为交替产状；主要顶板为粉砂岩、细砂岩和含砾粗砂岩；直接底板为优质泥岩。大回采长壁放顶煤工作面为顺走向背采工作面。

在综采放顶煤开采过程中，考虑到液压支架在实践中经常遭受冲击载荷的情况，液压支架ZF15000通过采取增加安全阀的流量、缓冲柱内液体体积、减少抗压刚度支柱的影响和使用双伸缩支柱等旁路安全阀措施，提高支柱阻力的影响，以确保生产效率和开采安全性。

2 大开采条件下动态承载特性分析

图1为大采高放顶煤液压支架ZF15000的位移动态承载特性图。从图1可以看出，在工作面中段支护工作阻力循环过程中，液压支架支护阻力变化不明显，支护具有可靠性。

图1 工作面中段支护工作阻力循环图

液压支架工作面支架循环端工作阻力如下页图2所示。由图2和现场观测可知，主顶板首次垮落和周期垮落的影响范围较宽，覆盖整个工作面。主顶板首次垮塌距离为144.5 m，动荷载系数为1.56，平均周期崩落距离为54.94 m，动荷载系数为1.52，具体动荷载系数如下页表1所示。正常工作时的平均支护阻力为9073.06 kN。支架的动载系数较大，但影响不明显，支架具有较强的抗冲击能力。当阻力超过额定阻力时，安全阀能够及时开启，液压支架具有较高的稳定性。

表1 加权主顶板动态系数统计

图2 工作面压力分布

3 大采高放顶煤支护的适应性研究

3.1 支撑阻力的频率分布研究

液压支架的合理阻力应呈正弦波形式分布。将支撑阻力除以间隔宽度1 000 kN，统计每个间隔周期内支撑工作阻力的百分比。下页图3为各断面平均百分比直方图，从图中可以发现，液压支架阻力分布较为合理。支架阻力整体呈正弦波形式，主要分布在9 000~13 000 kN之间。

图3 支架工作阻力分布

综上所述，大采高放顶煤液压支架运行合理、效率高，对顶板适应性好。

3.2 初始承载力研究

液压支架ZF15000的初始支护能力为12778 kN。现场观测的初始承载力统计结果如表2、表3所示。由表2、表3可知，初始平均承载力为7 883.17 kN；超过5 000 kN的定载率接近90%；整定荷载呈线性分布，初始承载力较高，但仍未满足要求。主要原因如下：

表2 支架平均初始工作阻力 kN

表3 支架平均初始工作阻力具体统计 %

1）压力泵供压时够时不够，管路压力泵损失过大。

2）工人移动支架后，提升支架的时间较短；柱顶未完工；与屋顶接触不足。

3）屋顶支架阻力变化，在慢慢接触后，由初始支持和提升时间提交函数P=A+B ln t，得出支架并未达到额定的初始支撑能力，但为了提高工作效率，工人停止了吊装支架。

3.3 矿柱应力研究

支架循环端阻力如表4所示。

从表4可以看出，前柱阻力略大于后柱阻力。后矿柱平均循环端阻力占其额定阻力的63.88%，前矿柱平均循环端阻力占其额定阻力的74.78%，表明该矿柱处于良好的赋权状态。

表4 统计前后支柱平均循环端阻力

4 结论

1）液压支架ZF15000抗冲击能力强、稳定性和可靠性高。该安全阀能随着井下压力的变化，在阻力超过额定阻力时及时开启。

2）液压支架阻力呈正弦波形式，主要分布在9 000~13 000 kN之间。液压支架ZF15000运行合理、效率高，对顶板适应性好。

3）整定负荷分布呈P=A+BX的线性分布。大于5 000 kN的定载速率接近90%。

4）受力平衡的支柱状态良好。