任国军，张广宁，胡宝敏

（1.鄂尔多斯市国源矿业开发有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300；2.中国大唐集团煤业有限责任公司，北京 100053）

0 引言

20世纪70年代末期，我国开始采用大采高开采技术。20世纪90年代初期，先后在开滦、西山、铜川等矿区采用大采高开采方法［1-2］，但采高未超过5m。随着矿井高产高效技术研究的深入，底层采高从4m提高到5.1m得到了实验性突破。2018年6月份大唐国源煤矿设计采用5.1m大采高综放工作面进入工业性实验阶段，取得成功，标志着我国放顶煤开采技术的新突破。

放顶煤液压支架是综放工作面的主要设备之一，主要作用是支护采场顶板，保证作业人员安全。目前准格尔煤田综放工作面液压支架最大工作阻力21000kN,最小的工作阻力12000kN，个别综放工作面采用两柱式放顶煤液压支架，多数采用四柱式放顶煤液压支架。目前准格尔煤田特厚煤层综放工作面两柱式放顶煤液压支架来压期间出现平衡油缸抽芯、"高射炮"等现象，四柱式放煤液压支架来压期间出现后柱工作阻力为零、拔后柱等现象，总体上存在对准格尔煤田特厚煤层综放工作面支架选型存在认识不全面的问题，本文以准格尔煤田特厚煤层综采工作面实践生产为研究对象，进一步分析生产中两柱和四柱式液压支架的适应性，进而确定准格尔煤田特厚煤层放顶煤液压支架的选型。

1 液压支架工作阻力确定

目前，工作面支架工作阻力确定主要有岩层结构法、数值模拟法、工程类比法、采高倍重系数法、实测估算法等［3-6］。各种计算方法计算结果具有不唯一性，有的方法计算结果与现场差异性较大。

1.1 岩层结构法

工作面支架的载荷由两部分组成：一是直接顶的载荷，二是基本顶通过直接顶作用于支架的载荷，一般以直接顶载荷的倍数来估算基本顶的载荷。强度计算公式为：

式中：q为工作面支架所需支护强度，kN/m2；Kd为基本顶失稳时的动载系数，根据邻近综放工作面矿压观测结果，取1.5；qm为冒落带岩层自重应力，kN/m2；qd为支架上方顶煤自重应力，kN/m2；

其中：qm＝γ 岩×h＝24×56=1344kN/m2；

式中：γ岩为顶板岩石容重，取24kN/m3；h为冒落带岩石厚度，取最大垮落高度56m；

6号煤层顶板粗砂岩抗压强度平均值22.8MPa，属中等较稳定岩层。采空区冒落带高度计算按公式：

式中：M为煤厚，取最大厚度28m；Md为顶煤厚度，采厚最大28m,机采5.1m,顶煤最大厚度22.9m；K为垮落碎胀系数，取1.5。

则：q＝1.5×（1344＋325.18）=2503.8kN/m2

所需支架工作阻力

式中：P为支架工作阻力（kN）；Q为工作面支架所需支护强度，kN/m2；Lk 为梁端距，0.619m；Ld为顶梁长度，5.14m（由选用的配套支架参数确定）；B为支架支护宽度，2.05m。

则：P＝2503.8×（0.619+5.14）×2.05=29559.7kN。

1.2 按实测工作面来压期间最大压强，估算支架工作阻力

根据现场压力统计，其最大值为49.5 MPa，其工作阻力F理论值为：

式中：2为立柱数量;P为支架工作阻力，取49.5 MPa;S为立柱受力面积，立柱缸径为500mm。ZFY18000/28/53D综放支架的额定工作阻力为18000kN，从安全的角度出发，工作面支架的工作阻力应该有15%～20%的富裕，即支架阻力应为22343kN～23315kN，但支架实际额定工作阻力偏低，不能满足生产现场基本顶来压的不均衡性，直接影响到支架对顶煤及上覆岩层的控制效果。

1.3 工程类比法

邻近的黄玉川煤矿采用放顶煤开采6煤，目前采用ZF21000/25/45D四柱支撑掩护式低位放顶煤支架，工作阻力为21000 kN，日最大工作阻力数据见表 1。

表1 黄玉川6煤综放工作面日最大工作阻力统计表

从表中看出，工作面有75%的支架日最大工作阻力没有超出21000kN，工作面阻力超出21000kN的平均比例仅8.3%，符合正态分布，考虑到低阻力区比例较大、前后柱受力不均、支架接顶效果差等因素，从安全的角度出发，工作面支架的工作阻力应该有15%～20%的富裕，即支架阻力应为24150kN～25200kN，但支架实际额定工作阻力偏低，不能满足生产现场基本顶来压的不均衡性，直接影响到支架对顶煤及上覆岩层的控制效果［7-8］。

2 支架选型

2.1 准格尔煤田两柱、四柱放顶煤液压支架应用现状

经过对准格尔煤田实地调研，准格尔煤田放顶煤液压支架目前使用情况见表2：

表2 准格尔煤田两柱、四柱放顶煤液压支架应用现状表

通过表2分析可知：目前准格尔煤田多采用四柱支撑掩护式放顶煤液压支架，支架工作阻力最大21000kN，但多数工作面仍然存在支架工作阻力不足的现象；四柱支撑掩护支架承载能力较强，但存在后柱压力低于前柱压力，出现"拔后柱"现象；两柱式掩护支架承载能力差，出现"高射炮"、平衡油缸抽芯现象。

2.2 两柱、四柱放顶煤液压支架实际受力分析

分析支架立柱在实际生产过程中的受力可以很好的对支架适应性进行评价，综放工作面在放煤过程中，支架所受作用力随着顶煤的垮落放出发生变化，支架受力不均匀，容易造成结构件变形，分析支架受力是非常有必要的。

表3 两柱放顶煤液压支架左、右立柱平均循环末阻力统计表

表4 四柱放顶煤液压支架左、右立柱平均循环末阻力统计表

通过表3、表4分析可知，两柱式放顶煤液压支架立柱受力均衡，左右立柱受力相差最小3%，最大17%，平均3.4%；四柱式放顶煤液压支架前后立柱相差最小5%，最大113%，平均46%，总体前柱受力大于后柱受力。

2.3 放顶煤液压支架发展趋势

放顶煤液压支架是目前综放工作面的的主要设备之一，随着智慧化矿山建设［9-10］和放顶煤开采煤厚的提高，进一步研究放顶煤液压支架的适应性是非常有必要的。

1）自动化方面。 随着国内智慧化矿山的不断推进，井下自动化程度不断提高，工作面逐步向有人值守，无人作业方向发展，两柱式放顶煤液压支架是目前唯一可实现自动化的支架，而四柱式放顶煤液压支架很难实现自动化，因此两柱式放顶煤液压支架是目前主要的发展方向。

2）大采高放顶煤液压支架。将大采高综采工艺优点与放顶煤工艺的优点相结合形成大采高综放工艺，使得综放工作面采高由目前的4m提高至7m，可以一次开采28m厚的煤层，解决《煤矿安全规程》关于采放比1：3的要求。同是可提高目前综放工作面顶煤回收率低的问题。

因此，大采高放顶煤液压支架的研究是今后放顶煤液压支架的主要研究方向。

3 结 论

1）准格尔煤田特厚煤层综放工作面来压强烈，易采用承载范围较大的四柱式支撑掩护式放顶煤液压支架。

2）目前准格尔煤田特厚煤层综放工作面液来压期间矿压显现明显，通过多种方法对准格尔煤田特厚煤层综放工作面支架工作阻力进行核算，发现现有支架工作阻力不足，应重新核算，提高支护强度。

3）四柱式放顶煤液压支架通过优化前后立柱工作阻力，按相应比例提高前后柱工作阻力，提高支架支护强度。

4）两柱式放顶煤液压支架平衡油缸调节能力有限，来压期间承载能力差，通过增大立柱和平衡油缸工作阻力，提高支架承载能力。

5）两柱式放顶煤液压支架，工作面来压期间，应保证采放平行作业的同是加快推进度，及时将压力甩入采空区。

6）两柱式放顶煤液压支架是目前唯一可实现自动化的支架，在保证工作面来压期间快速推采、采放平行作业情况下，两柱式放顶煤液压支架在自动化方向更具有优势。

7）大采高放顶煤液压支架可提高目前准格尔煤田特厚煤层综放工作面顶煤回收率，今后应重点加大对大采高放顶煤液压支架的研究及使用。