两柱掩护式放顶煤液压支架在云盖山煤田的应用实践

冯洪涛

（河南永锦能源有限公司，河南 禹州 461670）

1 云盖山煤田特征及综采放顶煤开采现状

云盖山煤田位于河南省禹州市，煤田走向长16km，倾向宽3～4km，面积50km2。该煤田划分为4对矿井，分别为平煤集团白庙矿、枣园矿、云煤一矿、云煤二矿，其中枣园矿、云煤一矿、云煤二矿属河南能源永煤集团河南能源永锦能源有限公司。云盖山煤田主采煤层为二1煤层，煤层直接顶为中粒砂岩，局部为粉砂岩和砂质泥岩，底板为泥岩和砂质泥岩。煤层顶板比较坚硬，底板比较软。二1煤层赋存不稳定，煤厚变化较大，实际揭露煤层最大厚度13m左右，全区平均煤厚4.6m，煤层普氏硬度系数f≤0.37，质软而松散，一般呈粉状，煤层冒放性系数为0.88，冒放性好，适合放顶煤开采。

枣园矿、云煤一矿2008年首次采用综放开采技术以来，采煤工作面一直使用ZF3000/16/26型四柱支撑掩护式放顶煤支架，使用过程中支护强度相对较低，大立柱安全阀频繁开启，并且煤壁经常出现片帮、冒顶、拔后柱等问题。近年来随着原有综采设备的老化，支架窜液、漏液问题较为严重，支护强度和效率逐渐降低，且维修成本不断升高，直接制约矿井安全高效生产，急需对综采设备换代升级。

2 液压支架主要指标参数的确定

2.1 架型确定

国内放顶煤液压支架传统上采用四柱放顶煤液压支架，但在开采过程中经常出现前、后立柱受力不均，甚至出现拔后柱的现象，大大降低了支架的支护效率，煤层顶板得不到有效管理，降低了开采效率。近年来，随着液压支架技术的发展，放顶煤支架逐步向两柱放顶煤支架发展。

依据云盖山井田实际揭露的煤层状况，煤层最大厚度13m，平均厚度4.6m，煤层厚度相对变化较大，而且顶板条件属于中等稳定或稳定顶板，顶板岩性属于粗粒砂岩，岩石坚硬，裂隙中等发育，岩体易垮落。同时考虑原ZF3000/16/26型四柱支撑掩护式放顶煤支架使用过程中存在的问题和弊端，确定为云煤一矿22204采煤工作面选用两柱掩护式放顶煤液压支架。

2.2 液压支架工作阻力的计算

2.2.1 依据岩重法计算支架支护强度

式中：

P-液压支架支护强度，MPa；

K1-作用于支架上的顶板岩石厚度系数，一般为 6～8，取 7；

H-工作面采高，按最大采高取3.0m；

γ-岩石容重，取2.5t/m3；

n-动载系数，由于工作面受到邻近工作面开采的影响，为保证支架的可靠性，选取较大的抗动载系数，取1.1。

2.2.2 根据基本顶周期来压步距法测算支架支护强度

依据经验公式：

式中：

h-采高，取3.0m；

Lp-老顶周期来压步距，依据邻近工作面矿压观测结果，取22m；

Bc-控顶距，取4.58m；

N-直接顶与采高的厚度比，取0.6。

P=72.3×3.0+4.5×22+78.9×4.58-12.24×0.6-62.1≈0.61MPa

根据上面两种计算支护强度的结果，工作面液压支架的支护强度确定为不小于0.61MPa。再根据配套尺寸、支架顶梁长度、空顶距算出支架工作阻力：

式中：

F-液压支架工作阻力，kN；

P-支架的支护强度，0.61MPa；

LK-允许最大空顶距，0.357m；

LD-顶梁长度，4.223m；

B-支架宽度，1.5m。

代入值可以求得：

F=0.61×1000×（0.357+4.223）×1.5≈ 4191kN

根据上述算法，并参考ZF3000/16/26支架使用情况（支架在使用过程中安全阀频繁开启，并且前部出现片帮、冒顶），同时考虑工作面遇断层、薄煤带等地质因素，液压支架工作阻力应略大于理论值，最终确定支架选取Φ280mm缸径立柱，工作阻力4800kN，安全阀开启压力为P=39MPa。

2.3 支架高度的确定

在松软不稳定煤层条件下，工作面采高过大，煤壁片帮、架前漏顶等不利因素的影响将提高。遵照《煤矿安全规程》采放比大于1∶3的缓倾斜、倾斜厚煤层严禁采用放顶煤开采的规定，本着兼顾行人高度、有效防止煤壁片帮、提高厚煤区回采率三项原则，依据云盖山井田煤层赋存情况，确定工作面机采最大工作高度为3m，最小高度为2m。因此，支架选用ZFY4800/17/32型放顶煤掩护式液压支架满足需要。

2.4 支架防倒防滑装置

矿井原使用的ZF3000/16/26型四柱支撑掩护式放顶煤支架无防倒防滑装置，因此在煤层倾角较大的地段经常出现支架下滑、倒架现象，为避免此类问题，鉴于我国大倾斜综放工作面开采实践经验，ZFY4800/17/32型掩护式放顶煤液压支架采用平拉式防倒装置。相邻支架间的具体连接方式如图1所示。

图1 顶梁防倒装置

3 现场应用存在问题及解决对策

ZFY4800/17/32型掩护放顶煤式液压支架在云煤一矿22204采煤工作面投入使用初期，由于客观条件及工人操作不熟练等原因，出现支架拉移困难、片帮流煤等问题，影响安全生产，为此，矿井研究总结出相应对策。

（1）支架拉移困难解决对策

由于22204综采面切眼处地质构造带附近局部顶煤较厚，支架超高使用以及采面初采老塘侧顶板无垮落等原因，存在支架拉移困难问题。矿井采用单体液压支柱辅助移架以及更换部分支架推拉油缸增加拉力的措施，保证支架正常拉移。基本顶初次来压后，老塘侧顶板垮落，液压支架的受力趋于稳定，大多数支架实现正常拉移，个别拉移困难的支架可借助伸缩后尾梁插板辅助拉移。

（2）片帮流煤问题解决对策

针对二1煤层松软易碎的特点，结合新型支架特征，主要采取以下对策：（1）首先对煤层实施注水，提高煤体粘结性，防止煤壁片冒；（2）采用风镐、手镐人工落煤的方式提前对中上部煤壁进行回采处理，及时伸出液压支架护帮板护帮，采煤机仅对中下部煤壁进行切割，减小采煤机对煤壁的扰动。

4 应用效果分析

（1）采面作业环境明显改善。①新型支架支护强度高，移架速度快，减少对顶板反复支撑，采面片帮流煤现象得到有效控制，现场安全状况明显提高；②新型支架正常采高2.6m，支架间人行道净高度达到2m，方便人员直立行走，而原使用的四柱支架正常采高2.2m，支架间人行道净高度仅1.6m，人员行走不便；③新型支架底座前段设计有口子形防滑条，人员行走时不易滑到，保障人员安全。

（2）原煤开采回采率得到提高。原四柱式支架最大有效采高2.4m，现用两柱式支架最大有效采高可达3m。依据《煤矿安全规程》第一百一十五条采放比大于1:3时严禁采用放顶煤开采的规定，原四柱式支架可开采最大煤层高度9.6m，现用两柱式支架可开采最大煤层厚度达到12m。云盖山井田的煤层赋存不稳定，局部煤厚大于10m，采用新型支架有效提高了特厚煤区的原煤开采回采率。

5 结论

两柱掩护式放顶煤支架相对四柱式支架具有稳定性好、移架速度快、支护强度高、避免反复支撑顶板、能有效控制煤壁片帮等优点，是放顶煤支架的发展方向。云煤一矿22204采面是云盖山井田首次使用两柱掩护式放顶煤支架的工作面，采面自2018年7月份初采初放以来，通过不断摸索、磨合，新支架及配套设备的优势不断显现，制约安全生产的煤壁片帮问题得到有效解决，现场作业环境及安全条件大为改观，最高日产量突破3000t大关，成功实现了综采设备的换代升级，为相似地质条件的其他矿井推广应用两柱掩护式放顶煤支架树立了典范。