周世強(qiáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)臨汾宏大勝利煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041099）

引言

近年來(lái)，我國(guó)煤炭生產(chǎn)總量遠(yuǎn)超于美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，成為第一煤炭生產(chǎn)大國(guó)[1]。雖然我國(guó)的煤炭生產(chǎn)總量占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但在生產(chǎn)效率上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家，這是由于我國(guó)的煤礦開(kāi)采設(shè)備條件仍相對(duì)落后。目前，美國(guó)等國(guó)所使用的液壓支架已將手動(dòng)操作發(fā)展成為電液控制系統(tǒng)，并且可根據(jù)采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向以及位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化可控，加快了液壓支架的移架速度。除此以外，掩護(hù)式液壓支架具有較好的密封性能，可防止工作面落入矸石。為實(shí)現(xiàn)高效采煤的生產(chǎn)理念，液壓支架已向高支護(hù)強(qiáng)度（最大值已達(dá)1.1 MPa）、高支撐高度（4~5 m）、強(qiáng)工作阻力（高達(dá)104 kN）、寬中心距、機(jī)身輕便、使用壽命長(zhǎng)以及穩(wěn)定性高等方向發(fā)展。液壓支架作為煤層工作面的核心設(shè)備，研究意義重大。

1 煤層工作面的概況

煤層工作面頂?shù)装鍡l件是選擇液壓支架架構(gòu)重要的考慮因素，正確選擇液壓支架，不僅能夠增加采煤產(chǎn)量，也能提高產(chǎn)煤效率。本部分主要分析測(cè)定煤層工作面底板的比壓以及老頂?shù)募?jí)別與直接頂?shù)念悇e判定，初步選擇液壓支架的類型。

1.1 煤層工作面底板比壓的測(cè)定

底板比壓作為工作面選擇液壓支架的關(guān)鍵參數(shù)，表示頂板抗壓入的強(qiáng)度。該值的測(cè)試方法主要包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和實(shí)驗(yàn)室兩種測(cè)試方式，本文選擇現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的方法，采用內(nèi)注式底板比壓儀（DBY型）可直接讀出壓入深度與底板比壓的數(shù)值，并以壓模壓入值為橫坐標(biāo)和底板比壓值為縱坐標(biāo)繪制相關(guān)曲線圖。

為保證所測(cè)底板比壓值數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需選擇3個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分別記錄出壓入深度與底板比壓的數(shù)值并繪制相關(guān)曲線圖，最終經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出底板比壓平均值，即抗壓入強(qiáng)度。具體讀數(shù)間隔由初始的5 mm/次上升至每10~50 mm/次，該值隨著壓入速度變化情況隨時(shí)調(diào)整。

本文以第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)為例，采用比壓儀記錄數(shù)據(jù)值，如表1所示。

表1 煤層工作面的壓入深度與底板比壓的記錄數(shù)值（1號(hào)測(cè)量點(diǎn)）

該測(cè)量站的有關(guān)底板比壓的計(jì)算公式為（1）：

式中：qri表示當(dāng)?shù)趇次壓模壓入時(shí)底板的比壓值，MPa；qsi表示第i次壓模壓入時(shí)所采取儀器油缸的壓力值，MPa；ds和dm分別為比壓儀油缸的內(nèi)徑和壓模直徑，mm。

壓入深度的計(jì)算公式為（2）：

式中：hi為第i次壓入深度，mm；Hi為第i次所壓入的深度測(cè)量值，mm；H0為儀器初次壓入的測(cè)量值，mm。

以壓模壓入值為橫坐標(biāo)和底板比壓值為縱坐標(biāo)繪制相關(guān)曲線圖，如圖1所示，拐點(diǎn)處則可得出測(cè)量點(diǎn)1的底板比壓值，測(cè)量點(diǎn)2和3也采用同樣的測(cè)量計(jì)算方法得出相對(duì)應(yīng)的比壓值。測(cè)量點(diǎn)2底板比壓值為22 MPa，對(duì)應(yīng)高度為51 mm；測(cè)量點(diǎn)3底板比壓值為26 MPa，對(duì)應(yīng)高度為37 mm。

圖1 底板比壓與壓入深度曲線圖（1號(hào)測(cè)量點(diǎn)）

根據(jù)一些研究得出，當(dāng)容許比壓在16.2~32 MPa條件下，無(wú)明確優(yōu)先選擇的液壓支架類型。經(jīng)計(jì)算得出，該底板比壓值為27.7 MPa,因此，該底板對(duì)于液壓支架選型不限。

1.2 煤層工作面頂板類別的確定

不同煤層工作面的頂板，需采取不同類別的液壓支架。本文首先確定出某煤礦的煤層工作面的頂板類別，包括老頂?shù)募?jí)別與直接頂?shù)念悇e，再根據(jù)國(guó)內(nèi)外液壓支架選型經(jīng)驗(yàn)值[2-3]，最終初步完成液壓支架的選型。

根據(jù)計(jì)算得出，煤層工作面老頂?shù)膹?qiáng)度計(jì)算為2.96 MPa，屬于明顯的老頂來(lái)壓，為II級(jí)；直接頂?shù)膹?qiáng)度指標(biāo)計(jì)算為3.2 MPa，判斷該頂級(jí)為第2類別，屬于中等穩(wěn)定板?？蓞⒖嫉贸龃祟愋晚敯鍛?yīng)選擇掩護(hù)式液壓支架。

2 液壓支架參數(shù)的計(jì)算

除選擇出液壓支架的架型之外，仍需要計(jì)算出煤層工作面液壓支架的一些主要參數(shù)，包括液壓支架的高度、初撐力和工作阻力等，其各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算公式如下所述。

2.1 液壓支架高度H'：

式中：Mmax為煤層的最大高度，取2.6 m；S1為偽頂冒落的最大厚度，取0.2 m。將數(shù)值代入公式計(jì)算得H'max=2.8 m。

式中：Mmin為煤層的最小采高高度，取1 m；S2為頂板來(lái)壓時(shí)最大的下沉量（包括頂梁的上下底座的浮煤、浮矸和支架的下移量的總和），取0.25 m。將數(shù)值代入公式計(jì)算得H'min=0.75 m。

2.2 工作阻力P

式中：q為支架的支護(hù)強(qiáng)度，取574 kN；b為支架的中心距，取1.5 m；L為頂梁長(zhǎng)度，取3.822 m；C為煤壁與頂梁前端的距離，取0.4 m。

2.3 初撐力T

根據(jù)各項(xiàng)計(jì)算公式，可得出該煤層工作面液壓支架的最小與最大采高高度分別為0.75 m和2.8 m；工作阻力為3 635 kN；該液壓支架的支撐力依據(jù)直接頂確定為中等穩(wěn)定板，此值應(yīng)具有較高的支撐力，一般占工作阻力的80%，其值較接近于工作阻力為2 904 kN。

除此之外，推溜力和移架力也為液壓支架的選型參數(shù)，推溜力大致為100~150 kN。移架力主要與頂板條件、支撐的高度以及支架結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。按照煤層的薄、中、厚可選擇出移架力的值為100~150 kN，150~300 kN以及300~400 kN。

3 液壓支架的選型

該煤層工作面的煤層傾角在28°，該值大于25°，則需要在煤層工作面中和排頭的支架處設(shè)立防滑和防倒裝置[4]。結(jié)合計(jì)算出的液壓支架相關(guān)參數(shù)，以及底板比壓應(yīng)小于煤層工作面的容許比壓值，選擇液壓支架型號(hào)為ZF3700/16/29，其相關(guān)性能如表2所示。

表2 ZF3700/16/29型液壓支架性能表

4 結(jié)論

1）通過(guò)測(cè)定煤層工作面篩選出液壓支架的底比壓應(yīng)小于底板容許比壓作為選型參考。

2）根據(jù)計(jì)算得出，煤層工作面的老頂屬于明顯的老頂來(lái)壓，為II級(jí)，直接頂?shù)捻敿?jí)為第2類別，屬于中等穩(wěn)定板，由此可選擇得出此類型頂板為掩護(hù)式液壓支架。

3）通過(guò)對(duì)液壓支架的高度、初撐力和工作阻力等主要參數(shù)計(jì)算，進(jìn)一步完成某煤礦的煤層工作面液壓支架的選型，并給出該液壓支架的具體性能參數(shù)，便于借鑒與應(yīng)用。