综采回撤工作面三角区支架关键结构分析

满娜，谢学斌

（1.国家能源集团神东煤炭集团，内蒙古 鄂尔多斯017209；2.山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 046000）

0 引言

近年来，我国煤矿开采技术取得了长足的进步，随着综采工作面采掘机械化、智能化的引入，综采工作面的回采效率显著提高，使得综采工作面工作周期进一步缩短，工作面成套设备的搬家越来越频繁。因此搬家所耽误的生产时间逐渐引起了矿方的重视，传统的回撤搬家过程中，通常采用人工搭设木垛、木点柱的方式支护回撤端头三角区顶板，工艺十分复杂且效率不高[1-2]。 本文根据综采回撤工作面三角区支护存在的问题，设计三角区支架组并对其关键结构进行了分析。

1 支架主要参数分析

三角区支架组的工作阻力与煤层的采高、煤层顶板、底板的地质条件以及回撤巷道的高度有关，同时，需要综合考虑三角区支架组在不同工作面下的适应性因素[3-4]。下面分析单个支架的工作阻力。

工作面顶板采空区垮落厚度∑h 为

式中 Mmax——煤层最大开采厚度

K——垮落岩石碎胀系数

α——煤层倾角

本文中，煤层最大开采厚度Mmax取3.6 m，垮落岩石碎胀系数K 取1.1～1.4，一般取1.2，煤层倾角α取3°。

支架工作阻力

式中 ks——富裕系数，取2.0

B——支架宽度，取1.7 m

L——支架长度，取3.7 m

K1——来压动载系数，取2.1

γ——围岩容量，取25 kN/m3

本文中，富裕系数ks取2.0，支架宽度B 取1.7 m，支架长度L 取3.7 m，来压动载系数K1取2.1，围岩容量γ 取25 kN/m3。

将上述参数代入，并考虑到三角区支架组在不同工作面下的适应性， 确定支架工作阻力为12000 kN/架。

最终，确定支架参数为：

组合形式：三架一组

支架形式：两柱掩护式

支架高度：1800～3500 mm

初撑力：7 916 kN

工作阻力：12 000 kN

立柱：φ400/φ380/φ280/φ260

2 支架主要结构应力分析

根据三角区支架的工作阻力，对支架的顶梁与底座进行应力有限元分析。 分析结果如下：在顶梁上施加12000 kN 的最大工作阻力， 支架顶梁的有限元分析结果如图1 所示。

图1 支架顶梁有限元分析云图

从图中可以看出， 支架的最大应力为372 MPa，安全系数为1.66；支架的最大位移量2.8 mm，符合三角区支架的使用要求。

对底座上的柱窝施加12000 kN 的最大工作阻力，底座柱窝的有限元分析结果如图2 所示。

图2 底座柱窝有限元分析云图

从图中可以看出， 柱窝的最大应力为139 MPa，安全系数为4.46；支架的最大位移量0.09 mm，符合三角区支架的使用要求。

3 支架主要结构特点

三角区支架组如图3 所示，布置于综采工作面支架与回撤掩护支架组之间的回撤端头三角区，与综采工作面支架布置方向垂直，顶替原有的木垛式单体支护方式。

图3 三角区支架组

为了适应三角区顶板的垮落，三角区支架组的布置形式采用两高一低的组合，三架一组。

在靠近老塘一侧的支架顶梁前端设计有大半径圆弧端面，在移动的过程中，此结构能够方便支架顶梁顺利从网包下挤过，避免移动过程中对巷道顶网的破坏，造成顶板岩石脱落。

同时， 靠近老塘一侧的支架布置有侧护板，可根据实际使用情况进行伸缩控制，有效避免垮落区矸石掉入支架内部，影响支架的搬移效率。

三角区支架组每台支架都布置有推移油缸以及迈步推移横梁，且一组支架内推移横梁通过十字连接头相互连接。 在移动过程中，三台支架中有两台撑起与顶板锚固，另一台支架通过收缩推移油缸实现迈步。 三台支架依次循环，交替撑顶锚固，互为支点，实现支架组机械化迈步自移；回撤端头三角区在综采工作面支架回撤的同时，存在顶板垮落的风险，因此三角区支架组采用电液控制系统，可远程无线遥控，避免操作人员接近回撤三角区，降低安全隐患。

4 应用效果

根据神东公司现有各个矿井的回撤巷道高度情况，本项目研制的三角区支架组主要针对回撤巷道高度在3.2 米以下的工作面进行设计。 结合回撤工艺的特点， 三角区支架组由2 台ZY12000/18 /35D 型两柱掩护式支架和1 台ZY12000/16.5/30D 型支架组成（见图4），支护高度分别为1800～3500 mm 和1650～3000 mm。

图4 三角区支架组结构形式

三角区支架组对综采工作面三角区顶板的临时支护，取得了较好的实用效果，产生了良好的社会、经济效益。

（1）实现了综采工作面三角区的机械化支护与迈步式自移，提高工作面回撤效率。

（2）代替原有人工搭设木垛、木点柱的支护方式，降低了木材的消耗，节省了搬家成本。

（3）简化原有复杂的搬运工艺，降低了工人劳动强度。

（4）操作人员采用远程遥控式电液控制系统对三角区支架进行操作， 避免在危险区域作业，降低了安全隐患。

5 结语

三角区支架组的研制与应用改变了传统的回撤端头三角区的支护形式，有效解决了三角区顶板的支护问题。 该设备的成功应用，是对综采工作面快速搬家成套支护装备的补充，一定程度上提高了综采液压支架回撤搬家的效率。在改变传统支护工艺的同时， 也缩减了回撤搬家工序，提高了回撤作业安全性，应用效果显著，具有广泛推广应用价值。