范劍英，趙光明

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 金鼎公司，山西 晉城 048006)

晉城3#煤采用6.8 m高度支架的可行性研究

范劍英，趙光明

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 金鼎公司，山西 晉城 048006)

厚煤層一次采全高是一種經(jīng)濟(jì)合理的開采方法，液壓支架作為綜采工作面的核心設(shè)備，對井下煤炭開采有著舉足輕重的影響，通過對現(xiàn)有的大采高支架特點(diǎn)和使用情況的研究，提出了研制使用更大采高液壓支架的可行性，對煤層一次采全高高度增大進(jìn)行了有益的探索。

液壓支架；大采高；可行性分析

0 引言

晉城3#煤煤層厚度為4.4 m～8.86 m，目前使用6.2 m大采高支架，最大采煤高度6.0 m。超過6.0 m厚的煤無法開采，在局部煤層厚度超過6.0 m易出現(xiàn)丟頂丟底，造成資源浪費(fèi)。在煤層松軟地段，常出現(xiàn)支架接頂不實(shí)而造成冒頂事故。如果研制、使用適宜的支撐高度一次采全高液壓支架，在煤層較厚時(shí)，最大采煤高度也隨之增加，這樣不但有利于局部厚煤層回收,實(shí)現(xiàn)煤炭資源的合理回收，而且可以有效支撐頂板,杜絕和減少冒頂事故，將會(huì)有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 礦井相應(yīng)的配套條件

(1) 支架下井經(jīng)過巷道情況：大巷斷面達(dá)到5 000 mm×3 500 mm。

(2) 現(xiàn)有支架搬運(yùn)車搬運(yùn)能力和搬運(yùn)高度：支架搬運(yùn)車載重量為50 t，高度距地面250 mm。

(3) 斜井提升能力：允許提升重量為60 t。

2 配套設(shè)備

(1) 采煤機(jī)情況：目前使用艾科夫SL500采煤機(jī)，采高為6 m。

(2) 刮板機(jī)情況：目前使用SGZ1000/3×855刮板機(jī)。

(3) 皮帶機(jī)情況：目前使用DTL140/180帶式輸送機(jī)，帶寬1.4 m，運(yùn)輸能力為1 800 t。

3 液壓支架參數(shù)選擇

液壓支架參數(shù)選擇原則是：①滿足工作面支護(hù)要求；②能滿足礦井現(xiàn)有提升、運(yùn)輸條件；③支架重量和單架成本變化不大。

3.1 支架工作阻力確定

據(jù)有關(guān)支護(hù)理論，改變支架的工作阻力并不能改變圍巖應(yīng)力分布，也就不能阻止圍巖破壞。但大采高支架應(yīng)具有足夠支撐工作面上覆破裂巖層的能力，因此，大采高支架的合理工作阻力應(yīng)首先按巖層自重法確定，有條件時(shí)可參考使用其他確定方法。同時(shí)隨工作面加長，支架受載有增大趨勢。根據(jù)神東榆家梁煤礦綜采工作面礦壓觀測，在正常推進(jìn)過程中，360 m長工作面比300 m長工作面支架立柱下腔壓力值高出5 MPa左右。

首先按3#煤層大采高面礦壓觀測數(shù)據(jù)確定支架合理工作阻力。

(1) 該礦2306工作面礦壓觀測：初采期間礦壓觀測，支架實(shí)際工作阻力超過支架額定工作阻力(9 400 kN)的情況共監(jiān)測到168次，只占全部監(jiān)測數(shù)量的0.28%。共監(jiān)測到7次老頂周期來壓，平均周期來壓步距18.2 m，平均動(dòng)載系數(shù)1.38?；夭善陂g礦壓觀測，安全閥開啟率均未超過30%，這說明支架工作阻力設(shè)計(jì)值比較合理，能夠滿足使用要求。

(2) 4301大采高加長工作面初采礦壓監(jiān)測：4301工作面是該礦第一個(gè)300 m長工作面，工作面所采煤層煤厚平均6.3 m，煤層傾角為1°～14°，平均5°。老頂來壓階段支架來壓強(qiáng)度與220 m工作面相近，來壓步距比220 m長工作面較小。

(3) 4301工作面在老頂初次來壓之前監(jiān)測的20架支架平均工作阻力普遍在4 000 kN～6 000 kN，最大工作阻力多為6 000 kN～8 000 kN，少數(shù)支架工作阻力超過或接近12 000 kN。

因此，該礦大采高面支架工作阻力應(yīng)是有富余的，此值是在平均采高6 m條件下測得的。而新工作面如果采高增加為6.8 m，此值將比現(xiàn)有采高時(shí)增加13%。

按實(shí)測礦壓數(shù)據(jù)確定支架合理工作阻力應(yīng)為12 000 kN。

接下來按巖重法確定液壓支架合理工作阻力。采高6.8 m時(shí)工作阻力計(jì)算公式為：

P=MγAKD(KP-1)-1.

其中：P為支架工作阻力，kN；M為采高，取M=6.8 m；A為支護(hù)面積，A=8.9 m2;γ為巖石容重，γ=25.7 kN/m3；KP為巖石碎脹系數(shù)，KP=1.28；KD為巖石動(dòng)載系數(shù)，KD=2。經(jīng)計(jì)算得：P=11 108 kN。

總之3#煤層采高6.8 m時(shí)液壓支架合理支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)大于1.25 MPa，支架合理工作阻力可選為12 000 kN。3.2 支架高度確定

根據(jù)煤層厚度分布情況和巷道運(yùn)輸允許高度，支架結(jié)構(gòu)高度上限為6.8 m，下限為2.8 m。

3.3 支架寬度確定

隨著支架寬度增加，支架重量會(huì)成比例增加。在保證工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度的前提下，應(yīng)減少支架重量，立柱缸徑應(yīng)為Φ420 mm，支架寬度應(yīng)為1.75 m。

3.4 空頂距選擇

當(dāng)支架支撐高度達(dá)6.8 m時(shí)，若采煤機(jī)仰斜采煤，采煤機(jī)滾筒容易割頂梁；若采煤機(jī)前傾采煤則空頂距增加，容易發(fā)生冒頂。按采煤機(jī)向后擺動(dòng)5°(擺動(dòng)量567 mm)與支架不干涉考慮，梁端距可選為700 mm。3.5 護(hù)幫結(jié)構(gòu)

采高加大后工作面礦壓顯現(xiàn)將明顯加大，片幫和冒頂傾向加劇，使得頂板管理難度增加，所以采用伸縮梁加二級(jí)護(hù)幫機(jī)構(gòu),加大護(hù)板力。一級(jí)護(hù)幫力為原有6.2 m支架2倍，護(hù)幫板長度適當(dāng)加長。

3.6 支架的穩(wěn)定性

ZY12000/28/68D型液壓支架，其特點(diǎn)及創(chuàng)新之處是寬度最小，只有1.75 m，是目前世界上6.8 m大采高液壓支架寬度最小的。由于寬度小，因此減輕了支架重量，減小了支架的橫向空間尺寸，能與1.75 m刮板輸送機(jī)配套，使支架的適應(yīng)性更廣、運(yùn)輸更方便。但支架寬度突破性的減小使得其穩(wěn)定性問題突出，防倒、防滑技術(shù)要求更高。

當(dāng)煤層傾角在10°以內(nèi)時(shí)，6.8 m采高時(shí)支架的傾倒是可控制的，重心在高點(diǎn)(3 700 mm)最大允許傾斜14°。當(dāng)煤層傾角大于10°可適當(dāng)降低采高，此外可通過以下措施保證支架穩(wěn)定性：

(1) 優(yōu)化四連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)，調(diào)整受力點(diǎn)；提高加工精度，減小連接銷軸孔間隙和部件連接橫向間隙。

(2) 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不但要保證支架強(qiáng)度可靠，同時(shí)要最大限度地提高結(jié)構(gòu)剛度，減少支架承載后的變形和位移。

(3) 完善護(hù)幫裝置，控制梁端距?？刂破瑤秃颓岸嗣绊斒潜ＷC支架穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)。

(4) 提高工作面支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過大量的計(jì)算分析，工作面頂板松動(dòng)及冒落對支架穩(wěn)定性的影響最大。頂板冒落使支架失去上部約束，對支架傾倒控制極為不利，因而防止支架傾倒首先應(yīng)嚴(yán)格控制頂板冒落。

3.7 液壓支架技術(shù)參數(shù)

ZY12000/28/68D型大采高液壓支架的主要技術(shù)參數(shù)如下：

支架高度(m) 2.8～6.8；

中心距(mm) 1 750；

支護(hù)強(qiáng)度(MPa) 1.36～1.4；

支護(hù)工作阻力(kN) 12 000。

4 工作面布置

4.1 工作面參數(shù)

采高6.8 m，截深0.865 m，工作面長度300 m，年生產(chǎn)能力大于1 000萬噸。

4.2 順槽巷道規(guī)格及支護(hù)

膠帶巷斷面為矩形，凈高4 500 m，凈寬5 000 mm，錨噴支護(hù)。

軌道巷斷面為矩形，凈高4 500 mm，凈寬5 000 mm，錨噴支護(hù)。巷道寬度不能過窄，否則容易出現(xiàn)采煤機(jī)機(jī)頭臥底量不夠問題。巷道過低三角煤損失大且影響采煤機(jī)通過，一般不應(yīng)低于3.5 m高。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

采用以上配套設(shè)備，所需礦井巷道、提升運(yùn)輸設(shè)備和原有大采高工作面相同。采煤機(jī)使用改造型采煤機(jī)，支架搬運(yùn)車等設(shè)備不需改變，成本投入變化不大。采高增加后，支架寬度不變，支護(hù)高度增加，重量和每架成本略有增加。整體投入和原先變化不大，支架對工作面煤層厚度變化適應(yīng)性增加，資源回收率得到提高，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

Feasibility Study on 6.8 m Height Bracket in A Coal Well in Jincheng

FAN Jian-ying, ZHAO Guang-ming

(Jincheng Anthracite Mining(Group) Kingding Mining and Machinery Co.，Ltd.， Jincheng 048006, China)

Full-seam mining is an economic and reasonable method for a thick coal seam mining, the hydraulic support is the core equipment in fully mechanized working face, has a significant impact on the underground coal mining. Based on the characteristics and service conditon of the existing large mining-height support, the feasibility of developing the larger mining-height suppotr is proposed, to increase the mining height of coal seam.

hydraulic support; large mining height; feasibility study

1672- 6413(2015)06- 0211- 02

2015- 01- 28；

2015- 08- 27

范劍英(1981-)，男，山西晉城人，工程師，本科，主要從事液壓支架制造。

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