樊 华

（山西晋城煤业集团金鼎公司，山西 晋城 048006）

引言

天安圣华煤业整合批准能力为45万t/年。该矿在2005年以前，由于生产方式简陋，单井规模小，一直采用以掘代采的巷柱式开采法，造成3号煤层残留煤炭资源。现井田内其3号煤层剩余的实体煤资源可采年限不足1年，延长矿井服务年限已迫在眉睫。依据《山西省生产煤矿回采率管理实施细则》中相关规定，现考虑复采，对残留煤炭资源进行最大限度采出和利用。

本文旨在研究一种可广泛适用于综放工艺采煤的轻型放顶煤液压支架，为一些中小型综放工艺采煤的矿井机械化作业提供强力支撑。

1 研究目的及意义

根据对天安圣华煤业3号煤层测量进行计算，其可供复采的区域面积约为0.426 km2，残煤储量约为277.3万t，复采工作面的回采率按照80%计算，在旧采区域内可多回收残煤量约为144.6万t。根据其批准能力45万t/年计算，复采可延长矿井寿命约为4年。

根据调研，受之前落后开采方式的影响，诸多老矿存在类似现象，从矿井经济效益和残留资源保护角度出发，研究一种可广泛适用于综放工艺采煤的轻型放顶煤液压支架意义重大[1-2]。

2 研究思路与方案

根据前期调研，圣华煤业3号煤回采工作面基本地质条件为：平均埋藏深度210m，工作面长度80m，推进长度约555 m，工作面内地质条件简单。作为复采工作面，根据矿井实煤开采量、开采年限、成本投入以及运输安装等条件限制，要求新支架在满足支护条件前提下，达到重量最轻的效果。

2.1 支架计算与选型

2.1.1 计算

依据圣华煤业3号煤层顶底板岩层物理力学性质测定指标、煤层富存条件和开采技术条件，应用采场薄板矿压理论，工作面支架承受的最大压力为6~8倍采高的顶板岩石的重量，采用经验估算法对支架工作阻力进行计算，计算如下：

2.1.1.1 支护强度计算

设计取8倍采高的顶板岩石重量计算：

式中：P为支架支护强度，MPa；α为顶板岩层相当于采高的倍数，取8倍采高；γ为顶板岩石视密度，2.60 t/m3；M为工作面最大实际采高，2.1 m；η为支架的支护效率，取0.9。

将数值带入得：P=0.476 MPa。

2.1.1.2 支架工作阻力计算

式中：F为工作阻力，kN；P为支护强度，MPa；S为支架支护的顶板面积，S=3.9 m×1.5 m=5.85 m2；

将数值带入得：F=2 783 kN。

考虑支架支护效率及井下一些不确定因素，支架应有一定富裕系数，故工作阻力应适当提高，最终取3 800 kN。

2.1.2 选型

结合井下最低运输高度，根据工作面实际最大和最小采高，综合支架立柱合理伸缩比，圣华煤业3号煤回采工作面支架型号确定为ZF3800-15-23轻型放顶煤液压支架。

2.2 支架结构与组成

经过迈实软件校核以及三维模拟设计，该轻型支架主要由顶梁（含伸缩梁）、掩护梁、底座、前后连杆、尾梁、插板、推移杆及单侧活动侧护板、液压系统等组成，具体设计及要求如下：

1）支架设计采用正四连杆稳定机构，四连杆为前双、后单连杆布置形式；

2）顶梁为整体顶梁带伸缩梁结构，支架采用单侧活动侧护板，另一侧焊接固定牢固；

3）顶梁前端设置起吊挂钩及喷雾装置；

4）顶梁与掩护梁铰接处采取挡矸措施；

5）底座为整体刚性底座，底板中后部开挡，前部为滑撬形式；

6）支架推移机构采用“正推移千斤顶+短推杆”的结构形式；

7）主体结构件铰接销轴采用挡板型式；

8）设计预留足够的人行通道，保证操作人员在工作面的顺利通行；

9）脚踏板采用花纹板设计形式；

10）支架各类大结构件设吊装环或孔；

11）支架最大运输长度不超过5 500 mm；

2.3 三维仿真及设计简图

1）三维仿真模型简图见图1。

图1 ZF3800-15-23轻型支架三维模型示意图

2）总图设计简图见图2。

图2 ZF3800-15-23轻型支架设计总图示意图

2.4 支架特点

1）通过有限元分析，采用Q550高强板设计，使得支架重量较轻，为矿方降低了成本投入，同时对支架升降、搬运、组装和运输等减轻了负担；

2）控顶距较短，减小了顶板的挠曲变形量和底板的鼓起变形量，保证了支架使用的稳定性和采掘的安全性；

3）支架立柱采用适当增大倾角设计，给煤层增加一个主动水平力，对减少冒顶有着重要意义[3-5]。

3 结论

本支架现已在圣华煤业3号煤工作面完成支护工作2年，经矿方反映，使用状况良好。

本支架可广泛适用于一些综放工艺采煤、工作面内地质条件较为简单、实煤开采量和开采年限都有限、井下运输和安装要求重量轻、支护设备投资能力有限的中小型矿井，能有效提升矿井煤炭产量，减轻工人劳动强度，为矿井安全生产提供强有力的机械设备支撑。