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摘 要：本文根据某矿煤层赋存条件，通过对放顶煤仰采工作面常见问题进行分析，从液压支架角度提出了解决措施，最终设计出ZF10000/22/35D放顶煤液压支架。这解决了放顶煤仰采工作面液压支架设计难题，为煤矿安全、高效生产提供了保障。
关键字：液压支架;仰采;放顶煤;设计
中图分类号：TD355 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）27-0060-03
Abstract：According to the coal seam occurrence conditions of a certain mine， this paper analyzes the common problems in upward fully mechanized mining face， and proposes solutions from the perspective of hydraulic support，and finally designs ZF10000 / 22 / 35D top coal caving hydraulic support. This solves the hydraulic support design problems in upward fully mechanized mining face，providing guarantee for safe and efficient production of coal mines.
Keywords： hydraulic support;upward mining;top coal caving;design
放頂煤工作面在仰采工矿下，其受力状态与缓倾斜状态不同，容易出现支架失稳翻转、煤壁片帮、顶板冒落等问题，造成人员伤害，给矿井安全开采带来极大的隐患。本文以仰采工作面ZF10000/22/35D放顶煤液压支架设计为例，分析液压支架设计过程中的优化方案和解决措施。
1 液压支架主要技术参数
1.1 地质条件
某矿放顶煤工作面可采长度1 724 m，切眼长330 m，储量924万t，平均煤厚12.6 m。仰采角度11°～12°，最大17°。老顶为砾岩，厚度305.4～603.8 m，红灰色，砾石成分以浅灰色或肉红色的石英岩、石英砂岩、灰色石英岩为主，次为成岩、安山岩、玄武岩，次圆状，分选差，砾径一般5～50 mm，呈孔隙式胶结。直接顶为泥岩，厚度36.4～37.4 m，灰～深灰色，致密块状，性脆。直接底为炭质泥岩、含砾砂岩，厚度0～9.8 m，灰黑色，局部含炭量高，夹有煤线。煤层上半部为半亮型块状硬质煤，煤质较好;下半部为半暗型块状硬质煤，煤质较差，煤层厚度和产状较稳定，无明显变化，煤层硬度坚固系数为1～1.5。矿井正常涌水量为197 m3/h，最大涌水量为410 m3/h。
1.2 液压支架主要技术参数
支架形式：四柱支撑掩护式放顶煤液压支架（见图1）
支架型号：ZF10000/22/35D
支撑高度：2 200—3 500（mm）
支撑宽度：1 430—1 600（mm）
中心距：1 500（mm）
工作阻力：10 000 kN（P=40.6 MPa）
支护强度：1.15～1.20 MPa
操作方式：电液控制
2 液压支架设计要点
2.1 仰采支架受力状况
在缓倾斜工况下，支架的水平载荷是由顶梁相对底座的水平位移产生的，摩擦力指向支架后方。
仰采时，支架不仅受到顶板、顶煤的压力，而且由于支架本身重力作用，有下滑的趋势，此时支架所受顶底板摩擦力方向向上[1]。相比较一般缓倾斜支架，仰采支架设计时需要着重关注以下两点。
①仰采时支架底座合力作用点后移，底座前端比压减小，后端比压增大。
②仰采时支架前后连杆受力比缓倾斜开采大。
根据上述受力情况，本次支架设计立足于四连杆机构的合理布局，数据如下表1所示。
为使支架仰采时受力更合理，需要对液压支架结构进行优化。
①对底座进行适应性设计，对底板比压更适应仰采工作面，加长底座后端长度，使仰采时底座合力点不超出底座后端。
②采用前双后双连杆布置，并进行加强。提高支架整体的抗扭能力和稳定性，更好地控制掩护梁后部因煤流压力造成的偏斜。
2.2 片帮冒顶控制措施
由于仰采时煤体有向采空区运动的趋势，容易发生煤壁片帮。对此问题，从支架结构设计上，进行以下有效控制措施。
2.2.1 控制梁端距。梁端距在正常情况下，煤壁片帮深度随梁端距的加大而加深。在充分考虑推移输送机不到位或下滑以及采煤机滚筒挑顶，可能与顶梁干涉的特殊因素，保证采煤机滚筒不截割支架顶梁的前提下，梁端距尽量取小距离。
缓倾斜工况下，液压支架顶梁前端与煤壁之间梁端距计算公式[2]
L=H×tan5°+（B1-B2）+50 （1）
式中，L为梁端距，mm;H为支架最大高度，mm;B1为采煤机滚筒最大高度，mm;B2为支架推溜步距，mm。
计算可得L=426.2 mm，考虑仰采工作面特殊情况下，仰采工作面梁端距设置在520 mm左右。
2.2.2 选用顶梁加铰接前梁结构。煤壁片帮深度随顶梁第一接顶点至煤壁间距的增大而加深。当顶板较破碎时，在移架时破碎的煤矸向掩护梁方向充填，支架顶梁前部上方形成空穴，支架升起接顶支撑后，顶梁前部翘起，严重时支架整体失稳翻转。采用铰接前梁结构可有效适应顶板，使液压支架在井下的适应性增强。 此外，由于控制顶梁前端的支撑力可有效防止片帮问题。为提高支架的前端支護性能，提高前梁的前端力，选用大缸径前梁千斤顶。
2.2.3 采用伸缩梁带四连杆式护帮装置。采煤机割煤后，伸缩梁及时伸出至煤壁，护帮板打出紧贴煤壁，可有效防止片帮（见图2）。
①伸缩梁千斤顶行程按900 mm设计，保证有足够的行程满足采煤机截距。
②考虑到仰采工作面容易出现片帮冒顶，需要较长的护帮板打出贴紧煤壁，出现大面积片帮后，在千斤顶与护帮板之间增加一个四连杆机构，把千斤顶的作用有效地传递到煤壁和顶板上。
2.3 后部刮板机装煤
对于仰采工作面，布置后部刮板输送机时，相对于缓倾斜开采时应后置，以提高放煤效率。仰采12°，采高3 000 mm时，前后部刮板输送机中心距离设计为6 700 mm。设计拉后溜链条时给出余量，根据采高和仰采角度，可现场调整中心距，加大放煤口尺寸，保证放煤效率。
2.4 掩护梁背角
考虑该矿煤为较厚块煤，为保证顺利放煤，保证正常采煤时放煤角度在30°～45°，由于仰采时与工作面不垂直，有12°左右差，掩梁背角设置时应考虑仰采角度。支架设计时，按12°仰采角度进行设计：①支架设计3 000 mm采高时，掩梁背角为23.72°，加上12°为35.72°;②支架设计3 300 mm采高时，掩梁背角为31.72°，加上12°为43.72°;③支架设计2 600 mm采高时，掩梁背角为14.2°，加上12°为26.2°。
2.5 推溜与拉架
仰采工作面拉架力和推溜力分析。
拉架：拉架力需要额外克服重力下滑分力，支架重量暂按29 t计算，比正常水平条件下拉架力增加G×sin17°=84.8 kN。
推溜：一节过渡槽或者变线槽或中部槽，算上哑铃、挡板托架等各种附件，重量按4 t计算，其仰采至少所需克服力为40+40×sin17°≈52 kN，而千斤顶推溜力为445 kN，远大于单节槽所需。
针对上述分析造成的推移刮板输送机以及拉架困难，从以下两点优化设。①采用强度更高的整体推杆，对于控制前刮板机和支架上窜下滑效果较好，主要结构件采用Q690高强板。②推移千斤顶选用大缸径倒装千斤顶，用于提高拉架力和推溜力。
3 结语
通过对仰采综放工作面液压支架受力、煤壁片帮、顶板冒落、移架困难、装煤放煤效果等进行分析，主要从以下几点优化结构，设计出了ZF10000/22/35D放顶煤液压支架。
①从放顶煤仰采工作面受力情况分析，应优化加强四连杆结构，加长底座后端长度，使仰采时底座合力点不超出底座后端，提高支架整体的抗扭能力和稳定性。
②通过控制梁端距，选用顶梁加铰接前梁、伸缩梁带四连杆式护帮装置，有效控制煤壁片帮和顶板冒落问题。
③布置后部刮板输送机时，相对于缓倾斜开采时应后置，并合理设计掩护梁背角，以提高放煤效率。
④设计采用强度更高的整体推杆，大缸径倒装推移千斤顶，以提高拉架力和推溜力。
参考文献：
[1] 闫洪元，李景辉，张显亮，等.俯采仰采对液压支架受力状况影响的分析[J].煤矿机械，2012，33（11）：83-84.
[2] 王国法.液压支架技术[M].北京：煤炭工业出版社，1999.
关键字：液压支架;仰采;放顶煤;设计
中图分类号：TD355 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）27-0060-03
Abstract：According to the coal seam occurrence conditions of a certain mine， this paper analyzes the common problems in upward fully mechanized mining face， and proposes solutions from the perspective of hydraulic support，and finally designs ZF10000 / 22 / 35D top coal caving hydraulic support. This solves the hydraulic support design problems in upward fully mechanized mining face，providing guarantee for safe and efficient production of coal mines.
Keywords： hydraulic support;upward mining;top coal caving;design
放頂煤工作面在仰采工矿下，其受力状态与缓倾斜状态不同，容易出现支架失稳翻转、煤壁片帮、顶板冒落等问题，造成人员伤害，给矿井安全开采带来极大的隐患。本文以仰采工作面ZF10000/22/35D放顶煤液压支架设计为例，分析液压支架设计过程中的优化方案和解决措施。
1 液压支架主要技术参数
1.1 地质条件
某矿放顶煤工作面可采长度1 724 m，切眼长330 m，储量924万t，平均煤厚12.6 m。仰采角度11°～12°，最大17°。老顶为砾岩，厚度305.4～603.8 m，红灰色，砾石成分以浅灰色或肉红色的石英岩、石英砂岩、灰色石英岩为主，次为成岩、安山岩、玄武岩，次圆状，分选差，砾径一般5～50 mm，呈孔隙式胶结。直接顶为泥岩，厚度36.4～37.4 m，灰～深灰色，致密块状，性脆。直接底为炭质泥岩、含砾砂岩，厚度0～9.8 m，灰黑色，局部含炭量高，夹有煤线。煤层上半部为半亮型块状硬质煤，煤质较好;下半部为半暗型块状硬质煤，煤质较差，煤层厚度和产状较稳定，无明显变化，煤层硬度坚固系数为1～1.5。矿井正常涌水量为197 m3/h，最大涌水量为410 m3/h。
1.2 液压支架主要技术参数
支架形式：四柱支撑掩护式放顶煤液压支架（见图1）
支架型号：ZF10000/22/35D
支撑高度：2 200—3 500（mm）
支撑宽度：1 430—1 600（mm）
中心距：1 500（mm）
工作阻力：10 000 kN（P=40.6 MPa）
支护强度：1.15～1.20 MPa
操作方式：电液控制
2 液压支架设计要点
2.1 仰采支架受力状况
在缓倾斜工况下，支架的水平载荷是由顶梁相对底座的水平位移产生的，摩擦力指向支架后方。
仰采时，支架不仅受到顶板、顶煤的压力，而且由于支架本身重力作用，有下滑的趋势，此时支架所受顶底板摩擦力方向向上[1]。相比较一般缓倾斜支架，仰采支架设计时需要着重关注以下两点。
①仰采时支架底座合力作用点后移，底座前端比压减小，后端比压增大。
②仰采时支架前后连杆受力比缓倾斜开采大。
根据上述受力情况，本次支架设计立足于四连杆机构的合理布局，数据如下表1所示。
为使支架仰采时受力更合理，需要对液压支架结构进行优化。
①对底座进行适应性设计，对底板比压更适应仰采工作面，加长底座后端长度，使仰采时底座合力点不超出底座后端。
②采用前双后双连杆布置，并进行加强。提高支架整体的抗扭能力和稳定性，更好地控制掩护梁后部因煤流压力造成的偏斜。
2.2 片帮冒顶控制措施
由于仰采时煤体有向采空区运动的趋势，容易发生煤壁片帮。对此问题，从支架结构设计上，进行以下有效控制措施。
2.2.1 控制梁端距。梁端距在正常情况下，煤壁片帮深度随梁端距的加大而加深。在充分考虑推移输送机不到位或下滑以及采煤机滚筒挑顶，可能与顶梁干涉的特殊因素，保证采煤机滚筒不截割支架顶梁的前提下，梁端距尽量取小距离。
缓倾斜工况下，液压支架顶梁前端与煤壁之间梁端距计算公式[2]
L=H×tan5°+（B1-B2）+50 （1）
式中，L为梁端距，mm;H为支架最大高度，mm;B1为采煤机滚筒最大高度，mm;B2为支架推溜步距，mm。
计算可得L=426.2 mm，考虑仰采工作面特殊情况下，仰采工作面梁端距设置在520 mm左右。
2.2.2 选用顶梁加铰接前梁结构。煤壁片帮深度随顶梁第一接顶点至煤壁间距的增大而加深。当顶板较破碎时，在移架时破碎的煤矸向掩护梁方向充填，支架顶梁前部上方形成空穴，支架升起接顶支撑后，顶梁前部翘起，严重时支架整体失稳翻转。采用铰接前梁结构可有效适应顶板，使液压支架在井下的适应性增强。 此外，由于控制顶梁前端的支撑力可有效防止片帮问题。为提高支架的前端支護性能，提高前梁的前端力，选用大缸径前梁千斤顶。
2.2.3 采用伸缩梁带四连杆式护帮装置。采煤机割煤后，伸缩梁及时伸出至煤壁，护帮板打出紧贴煤壁，可有效防止片帮（见图2）。
①伸缩梁千斤顶行程按900 mm设计，保证有足够的行程满足采煤机截距。
②考虑到仰采工作面容易出现片帮冒顶，需要较长的护帮板打出贴紧煤壁，出现大面积片帮后，在千斤顶与护帮板之间增加一个四连杆机构，把千斤顶的作用有效地传递到煤壁和顶板上。
2.3 后部刮板机装煤
对于仰采工作面，布置后部刮板输送机时，相对于缓倾斜开采时应后置，以提高放煤效率。仰采12°，采高3 000 mm时，前后部刮板输送机中心距离设计为6 700 mm。设计拉后溜链条时给出余量，根据采高和仰采角度，可现场调整中心距，加大放煤口尺寸，保证放煤效率。
2.4 掩护梁背角
考虑该矿煤为较厚块煤，为保证顺利放煤，保证正常采煤时放煤角度在30°～45°，由于仰采时与工作面不垂直，有12°左右差，掩梁背角设置时应考虑仰采角度。支架设计时，按12°仰采角度进行设计：①支架设计3 000 mm采高时，掩梁背角为23.72°，加上12°为35.72°;②支架设计3 300 mm采高时，掩梁背角为31.72°，加上12°为43.72°;③支架设计2 600 mm采高时，掩梁背角为14.2°，加上12°为26.2°。
2.5 推溜与拉架
仰采工作面拉架力和推溜力分析。
拉架：拉架力需要额外克服重力下滑分力，支架重量暂按29 t计算，比正常水平条件下拉架力增加G×sin17°=84.8 kN。
推溜：一节过渡槽或者变线槽或中部槽，算上哑铃、挡板托架等各种附件，重量按4 t计算，其仰采至少所需克服力为40+40×sin17°≈52 kN，而千斤顶推溜力为445 kN，远大于单节槽所需。
针对上述分析造成的推移刮板输送机以及拉架困难，从以下两点优化设。①采用强度更高的整体推杆，对于控制前刮板机和支架上窜下滑效果较好，主要结构件采用Q690高强板。②推移千斤顶选用大缸径倒装千斤顶，用于提高拉架力和推溜力。
3 结语
通过对仰采综放工作面液压支架受力、煤壁片帮、顶板冒落、移架困难、装煤放煤效果等进行分析，主要从以下几点优化结构，设计出了ZF10000/22/35D放顶煤液压支架。
①从放顶煤仰采工作面受力情况分析，应优化加强四连杆结构，加长底座后端长度，使仰采时底座合力点不超出底座后端，提高支架整体的抗扭能力和稳定性。
②通过控制梁端距，选用顶梁加铰接前梁、伸缩梁带四连杆式护帮装置，有效控制煤壁片帮和顶板冒落问题。
③布置后部刮板输送机时，相对于缓倾斜开采时应后置，并合理设计掩护梁背角，以提高放煤效率。
④设计采用强度更高的整体推杆，大缸径倒装推移千斤顶，以提高拉架力和推溜力。
参考文献：
[1] 闫洪元，李景辉，张显亮，等.俯采仰采对液压支架受力状况影响的分析[J].煤矿机械，2012，33（11）：83-84.
[2] 王国法.液压支架技术[M].北京：煤炭工业出版社，1999.