佟 友

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

1 项目概况

花图沟美日煤矿井田内主要可采煤层3层，分别为6-1上，6-1，6-2号煤层。目前开采6-1上煤层，此煤层1612采区2012年底开采完毕，工作面配套设备为：ZY6000/11.5/26(92架)支撑掩护式支架、ZZ8000/14/26(中部布置44架)掩护式液压支架、MG400/930-WD型电牵引采煤机及SGZ764/800型刮板输送机。目前除使用的44架ZZ8000/14/26型支架底座没有变形损坏外，其他在用的92架ZY6000/11.5/26型支架底座均出现不同程度地变形、开焊及断裂。研究表明，主要原因在于液压支架支护强度不够。为此，矿方要求对工作面液压支架重新选型设计，要求在满足原有设备的基础上，增加支架的支护强度，确保工作面安全、高效生产。

2 矿井地质条件

花图沟井田位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗境内，行政区划属准格尔旗羊市塔镇管辖，矿井年产量2.0Mt/a。地表多被第三系半胶结的砂质泥岩及第四系黄土、风积砂土覆盖。井田内地形复杂，剥蚀切割强烈，树枝状沟谷、冲沟发育，为典型的高原丘陵剥蚀区地貌。目前开采煤层6-1上，为井田内主要可采煤层，煤层厚度1.25～2.69m，平均厚2.21m。厚度变异系数16.8%，全区可采。顶板为深灰色泥质粉砂岩、泥岩；底板以深灰色泥岩为主。煤层埋深56.7～175.7m，平均118.1m，属于浅埋深煤层。

3 液压支架选型设计

花图沟美日煤矿支架损坏的主要原因在于初撑力不足、支护强度不够，要解决上述问题有2种方法：一是将支架中心距增大到1.75m；二是支架中心距保持1.5m不变，但立柱缸径需增大到φ340mm规格。前者由于中心距的变化，现有机组和刮板运输机等设备满足不了配套要求，无法使用，大大增加了投资。为了节省资金，提高设备的利用率，在满足地质条件要求的前提下，尽可能选用1.5m中心距液压支架，但需要加大支护立柱规格，以提高支护强度。

3.1 支架主要参数的确定

3.1.1 支护强度的确定

计算支架支护强度，一般采用下面2种方法计算，取其中的最大值。

(1)按岩石容量法公式计算：

(1)

式中，P为支护强度，kN/m2；h为采高，m；γ为顶板岩石容重，kN/m3；Kp为岩体碎胀系数；n为安全系数。

(2)根据现场实测数据的回归公式计算：

P=72.3h+4.5Lp+78.9Bc-12.24N-62.1

(2)

式中，LP为基本顶周期来压步距，m；Bc为控顶距，m；N为充填系数，直接顶与采高的厚度比。

煤层原始参数见表1。

将表1中的参数分别代入式(1)、(2)，得：

按岩石容量法公式计算支架支护强度P=750kN/m2，根据现场实测数据的回归公式计算，支架支护强度P=834kN/m2。

表1 6-1上煤层原始参数

通过以上采用理论计算法、现场实测回归公式等进行论证，比较分析计算结果可知，支架支护强度取0.84MPa左右能够满足工作面要求，但是在实际使用中此支护强度的支架柱窝出现开裂、底座主筋母材有局部断裂现象，且在使用中工作面中部经常出现压死架现象，另外偏帮现象也比较严重，实际证明按照传统支护强度的计算方法在美日煤矿并不适用，应该充分考虑浅埋深煤层矿山压力显现的复杂情况。在上一采区中部损坏的44架支架由ZZ8000/14/26型支架替代使用，在应用中没有出现问题，证明美日煤矿6-1上煤层1615采区额定支护强度定为0.90MPa左右比较合适。

3.1.2 支架额定工作阻力确定

工作阻力可按公式Q=C·P·BC·SC/KC进行计算。式中，Q为液压支架额定工作阻力，kN/架；C为备用系数，一般取1.1～1.2，取1.1；BC为控顶距，取4.6m；SC为支架中心距，1.5m(1.75m)；KC为支撑效率，二柱掩护式支架取0.88。

将各参数代入计算得：Q=7762.5 (kN/架)

3.1.3 支架结构高度的确定

由于平均煤厚2.21m，易知，支架最大采高以2.4m为宜，考虑到顶板下沉量、过机空间等要求，最大结构高度选用2.6m。根据立柱行程及配套要求，最低结构高度确定为1.3m。

综上所述，考虑到与原有设备的配套性(采煤机，刮板输送机，支架搬运车等)，应该选用1.5m中心距的液压支架，但由于1.5m中心距液压支架受立柱缸径的限制，最大工作阻力仅达到6800kN，工作阻力提高幅度不大，难以满足实际生产的需要，为此天地科技股份有限公司研发了新型φ340mm抗冲击双伸缩立柱，可把液压支架的工作阻力提高到8000kN，相比于6800kN工作阻力的支架提高18%,最终确定支架型号为ZY8000/13/26，见图1。

图1 ZY8000/13/26型两柱掩护式液压支架

3.2 支架主要技术参数

根据上述计算结果和工作面生产能力及配套设备要求，确定液压支架主要技术参数如下：

支架高度：1300～2600mm；支架宽度：1440～1610mm；支架中心距：1.5m；初撑力(P=31.5MPa)：5716kN；工作阻力(P=44.08MPa)：8000kN；支护强度：1.0～1.12MPa；底座前端对底板比压：2.7～4.1MPa；移架步距：800mm；立柱缸径为φ340mm的双伸缩立柱；操纵方式：邻架控制。

3.3 φ340mm立柱结构特点

目前国内立柱缸径排列为φ300mm，φ320mm，φ360mm…,无340mm规格，φ340mm缸径的立柱属于新开发设计产品。

此立柱在设计中采用了大缸底结构，有效地减少了70mm的固定段长度，增大了伸缩比，使支架具有相对较高的支撑效率；由于外缸增大到φ340mm，中缸壁厚能够加大，从而使一级、二级及外缸的缸径配比更加合理，受力均匀，增加了立柱的可靠性，安全阀开启压力达到44.1MPa，比同类立柱开启压力高出10%；立柱缸口连接设计采用了矩形螺纹，螺纹在密封外侧，拆装容易，密封可靠，并且螺纹外侧加装O型密封，使螺纹不易生锈，如图2所示；立柱增加了旁路安全阀，增强立柱的过载保护，提高了立柱的抗冲击能力。

图2 立柱缸口结构对比

4 应用情况

经过重新选型设计后的支架和原有设备于2013年3月初在花图沟美日煤矿6-1上煤层1615采区开始使用。煤层平均厚2.21m(2.4m占80%)，倾角2～3°，工作面长200m，配套MG400/930-WD型采煤机、SGZ764/800型刮板输送机。截至2013年8月底，工作面正常生产了6 个月，1615采区全部采完，共推进了1400m，1616采区已推进50m，总共生产原煤1.0Mt，经受住了工作面基本顶2次初次来压和周期来压的考验，达到了预期的目标。

5 结 论

(1)在原有设备不变的情况下选用ZY8000/13/26型支架能够适应6-1上煤层的地质条件。

(2)通过开发设计φ340mm缸径的立柱，1.5m中心距的支架能够设计最大工作阻力8000kN。

(3)通过实践证明，在6-1上煤层仅根据理论计算得到的支架支护强度偏小，支架在使用一段时间后损坏严重。根据现场地质资料，充分考虑浅埋深情况的影响，设计了支护强度大于0.9MPa的支架，解决了工作面的支护问题。因此，此地区支架的选型应重点考虑浅埋地压的影响，建议支架的支护强度不应小于0.9MPa。

(4)此液压支架选型经验对准格尔旗地区有类似改造要求及新建矿井具有很好的借鉴意义。

[参考文献]

[1]王国法，等.液压支架技术[M].北京：煤炭工业出版社，1999.

[2]王文书.薄煤层综采在花图沟煤矿的应用[J].煤矿开采，2012，17(4)：32-34.

[3]苏林军.浅埋深薄煤层强力液压支架研究[J].煤矿开采，2009，14(5)：60-61.

[4]黄开林，马端志.ZY6800/08/15.5型强力薄煤层液压支架的研制[J].煤矿开采，2013，18(4).