一、引言

在能源结构中占据重要地位的煤炭资源，尤其是薄煤层的开发，一直是煤炭工业关注的焦点。薄煤层，通常指厚度低于1.3米的煤层，其开采具有独特性和挑战性，主要体现在作业空间狭小、劳动强度大、安全风险高等方面。相较于中厚煤层，薄煤层的开采条件更为严苛，不仅要求设备小型化、轻量化以适应有限的空间，还需在确保生产效率的同时，维护作业人员的安全，这对开采技术和设备提出了更高的要求。

液压支架技术作为现代煤矿综采工作面的关键支撑设备，对改善作业环境、提高开采效率和确保生产安全起着至关重要的作用。液压支架通过液压系统提供的强大支撑力，有效维护工作面的顶板，防止坍塌，为采煤作业提供稳定、安全的操作空间。其发展经历了从最初的刚性支护到现代的横阻可缩支护方式的转变，技术进步显著提升了支护效率和自动化水平。

然而，薄煤层液压支架的选型与支护效果研究，对于提高薄煤层开采的综合效益具有深远意义。一方面，薄煤层地质条件复杂多变，不同的煤层厚度、硬度、倾角以及顶底板岩性，要求液压支架具有更强的适应性和可靠性，能够有效应对复杂的开采环境。另一方面，随着国家对煤炭行业转型升级的要求，提高开采效率、保障生产安全、实现绿色开采已成为必然趋势，这迫切需要对液压支架进行科学合理的选型，以确保其在薄煤层开采中的支护效果，同时探索自动化、信息化的控制技术，进一步提升开采的智能化水平。

二、薄煤层开采特点与挑战

2.1 薄煤层定义与分布特征

薄煤层作为一种特殊的煤炭资源，其界定标准通常是指厚度不足1.3米的煤层，这一界定凸显了其开采难度和经济价值的双重特性。尽管薄煤层在全球范围内分布广泛，但其复杂的地质条件往往增加了开采的复杂度与风险。在永夏矿区某煤矿，随着主采煤层二₂煤层资源的开采，逐步开采三煤组和部分二₂煤薄煤层，成为今后矿井发展必须面对的课题，这些煤层厚度0.8～2.2m之间，厚度不仅薄，且个别煤层区域富含硬质夹矸和硫化铁结核，这些自然形成的障碍物极大地增加了开采的物理障碍和经济成本，对技术与设备提出了更高要求。

2.2 开采技术难点分析

（1）空间受限作业问题

薄煤层的开采空间极为有限(如图1)，这直接导致了作业人员行动不便，增加了人行通道的建设难度。为了解决这一问题，必须优化设备布局，采用空间交错布置和薄型化设计，以最大限度地提高空间利用率。这种布局要求支架和机械设备不仅要满足功能需求，还要适应狭小空间的作业环境，对设计和制造工艺提出了极高的挑战。

图1 薄煤层开采现场图

（2）煤层稳定性差与顶板管理

薄煤层的顶板稳定性通常较差，易发生顶板垮塌，这要求采取有效的支护措施来维护工作面的安全。由于煤层薄，顶板承压能力弱，顶板管理尤为关键，需要精准控制支架的初撑力和工作阻力，确保顶板在开采过程中的稳定，防止意外冒落，保护作业人员的生命安全。

（3）设备适应性和效率问题

薄煤层的特殊开采环境对设备的适应性和作业效率提出了严峻考验。设备必须足够灵活，能够在狭窄的空间内高效作业，同时具备足够的强度和稳定性来应对复杂多变的地质条件。此外，设备的可靠性和维护便利性也是关键因素，高故障率会严重影响开采效率，增加维护成本，降低经济收益。因此，研发和应用高度可靠、适应性强、易于维护的综采设备，是提高薄煤层开采效率和经济性的必要条件。

综上所述，薄煤层的开采面临着空间限制、顶板不稳定和设备适应性三大主要挑战，要求在技术、设备和管理上不断创新，以克服自然条件带来的局限，实现安全、高效、经济的开采目标。

三、薄煤层液压支架选型原则与方法

3.1 选型考虑因素

在薄煤层开采中，液压支架的选型是一项至关重要的决策过程，它直接影响到开采的效率、安全性和经济效益。为了确保所选支架能够适应薄煤层的特定条件，以下关键因素必须进行全面考量：

（1）煤层地质条件

煤层的自然属性是支架设计与选型的基石。以永夏矿区某煤矿为例，三₁煤层平均厚度为0.95米，三₂煤层平均厚度为0.89米，这样的薄煤层特性要求液压支架具备宽泛的调高范围，以适应不同工作面的煤层厚度变化。值得注意的是，三₁煤层顶板为稳定灰岩，而三₂煤层顶板为较稳定灰岩，这为支架提供了较为有利的顶板条件。然而，底板条件则更为复杂，三₁煤层底板为不稳定泥岩，三₂煤层底板为不稳定至较稳定泥岩，这要求支架设计时必须兼顾顶板的稳固支撑和底板的承载能力，以及底座设计需能有效分散压力，防止底板塌陷或损伤。

（2）顶底板岩性与稳定性

顶底板的岩石性质直接关联到支架的支撑方式和整体稳定性。稳定或较稳定的灰岩顶板意味着支架需要具备强大的顶板支撑力，确保顶板的持续稳定，避免垮塌事故。而对于底部的不稳定泥岩，设计时应侧重于底座的强度和压力分散机制，确保支架在软弱底板上的稳固性，防止底板破坏导致的支架失稳。

（3）工作面长度与推进速度

工作面的具体尺寸和开采推进速度也是决定支架选型的重要因素。三₁煤某工作面的走向长度达到808米，倾斜长度为160米，这要求所选液压支架不仅要有足够的长度以覆盖整个工作面，还要具备快速推进的能力，以便于长距离的连续作业。此外，支架的移动灵活性也至关重要，确保能在有限的空间内快速、便捷地移动，以匹配高效开采的需求，减少非生产时间。

综上所述，液压支架的选型需综合考量煤层的自然属性、顶底板的岩性与稳定性以及工作面的作业特性，确保所选支架能够高效、安全地适应薄煤层开采的复杂条件，从而最大化开采效率，保障作业安全。

3.2 选型方法介绍

在面对复杂多变的薄煤层开采条件时，科学合理的液压支架选型是确保开采效率与安全的基石。为了准确匹配煤层特性和开采需求，选型过程通常会综合运用以下几种方法：

（1）技术经济分析法

这是一种综合成本与效益考量的决策工具，旨在从众多液压支架型号中筛选出性价比最优的方案。此方法不仅关注设备的初始购置成本，还会深入分析其在整个生命周期内的维护费用、运营成本及预期的经济效益。通过构建成本效益模型，评估不同支架对产量提升、开采效率改善以及安全系数增加的贡献，最终选定既经济实惠又符合生产实际需求的支架型号。

（2）可行性研究与模拟分析

随着信息技术的发展，计算机模拟技术在支架选型中扮演了重要角色。通过建立详细的地质模型和开采场景，工程师可以利用高级仿真软件预测候选支架在特定煤层条件下的支护效果。这种模拟分析涵盖了支架的受力分析、顶板稳定性评估以及移架效率等多个维度，使决策者能够在虚拟环境中比较不同支架设计的优劣，无须实际搭建就能筛选出最合适的支架方案，大大降低了选型风险和成本。

（3）实地考察与案例借鉴

理论分析之外，实践经验同样不可或缺。深入到类似开采环境的实地考察，可以直观感受不同支架在实际作业中的表现，了解它们在特定地质条件下的适应性和问题处理能力。北宿矿液压支架的长期应用和持续改进经验，为行业提供了丰富的案例资源。通过对这些案例的学习和借鉴，可以汲取成功的经验，规避潜在的陷阱，确保新选型的支架能够有效应对已知挑战，同时激发新的技术创新灵感。这种基于实践的选型方法，让理论与实际紧密相连，提升了选型决策的可靠性和实用性。

四、薄煤层液压支架支护效果分析

4.1 支护性能评价指标

在薄煤层开采作业中，液压支架的支护效果是确保作业顺利进行的关键，其评价指标直接反映了支架维护顶板稳定、保障安全与提高开采效率的能力。具体而言，以下几项指标是评价薄煤层液压支架支护性能的重要维度：

（1）支架初撑力与工作阻力

支架初撑力是指液压支架安装到位后，立柱第一次伸出即刻产生的支撑力，它是衡量支架即时支撑效能的重要参数。

支撑顶板的有效工作阻力 FS=PS·SC·BC/KS  

式中: PS---最小支护强度;

Bc---控顶宽度,顶梁长度与梁端距之和;

SC---支架中心距；

KS---支撑效率。

一个设计优秀的液压支架应该具备强大的初撑力，能够在安装后迅速形成稳固的支撑体系，有效抵御顶板的瞬时压力，防止顶板突然垮塌。采用双伸缩立柱设计的液压支架，其优势在于能适应更广泛的煤层厚度变化，通过大幅度的调高范围调节，显著提高了支护效率。这种设计确保了在整个开采周期内，支架都能根据煤层实际情况调整到最佳工作阻力，从而保持开采面的长期稳定。

（2）顶板下沉量与控制效果

液压支架的控制性能是通过精确的结构优化和电液控制系统来体现的，这两者的结合使支架能够动态地调整支撑力，有效控制顶板的下沉量，大大降低了顶板冒顶的风险。这种控制能力对于维护巷道的整体安全、防止瓦斯聚集以及保护作业人员和设备免受伤害至关重要。通过电液控制系统，可以根据顶板实时变化的情况自动调节压力，使顶板保持在理想的稳定状态，从而为采煤作业创造了一个安全可靠的工作环境。

（3）支架稳定性与安全性评估

在复杂多变的地质条件下，液压支架的长期稳定性和安全性是其设计的关键考量。针对这一需求，对底座与推移抬底结构进行了专门的设计改进。改进后的底座结构增强了对不规则底板的适应性，通过抬底机构的优化，减少了支架底座前端对软弱底板的直接压力，有效防止了底板破坏现象的发生。同时，这种设计还有助于提高整体的稳定性，减少支架在作业过程中的摇晃和倾斜，从而降低了潜在的安全风险。此外，通过强化结构设计和材料选择，提高了支架的耐久性和可靠性，确保了在复杂地质条件下的长期稳定运行，为薄煤层的高效安全开采提供了坚实的支撑保障。

4.2 实际应用案例分析

以永夏矿区某煤矿为实例，该矿在薄煤层开采中应用的两柱支顶掩护式液压支架，充分体现了针对薄煤层特殊开采环境的创新解决方案。这种支架设计不仅针对了薄煤层开采中常见的技术难题，还成功地融入了自动化控制技术，展示了现代煤炭开采技术的先进性与实用性。

该两柱支顶掩护式液压支架通过其独特的结构设计，有效应对了薄煤层端面顶板易于发生早期离层的难题。通过优化立柱布置和增强的顶板支撑，显著提高了顶板的稳定性，减少了开采过程中的安全隐患。这一设计创新不仅巩固了顶板结构，还有效预防了开采过程中的顶板冒落，确保了开采作业面的持续安全稳定。

在自动化控制方面，北宿矿采用的液压支架集成有先进的电液控制系统，实现了开采作业的智能管理。该系统能够根据实时监测的数据自动调节支架的支撑力度和移动速度，减少了人工干预，大幅提升了开采作业的智能化水平。这一自动化升级不仅简化了操作流程，提高了作业效率，还为矿工提供了更为安全的工作环境，减少了人为操作失误的可能性。

针对薄煤层开采空间有限的挑战，该液压支架在设计上注重了人行通道的优化，确保了即使在狭小的空间内，也能保持通道的畅通无阻，为井下作业人员提供了安全、便捷的通行路径。尤为重要的是，通过对底座结构的精心设计，有效分散了支架前端对底板的压力，防止了底板的过度压迫和破坏，同时提高了移架作业的效率，加速了开采进程，降低了开采成本。

结论

    薄煤层液压支架的合理选型是确保开采安全、提升开采效率的关键。通过综合考虑地质条件、技术经济性及实际作业需求，结合科学的选型方法，可以有效提升液压支架的支护效果，解决薄煤层开采面临的多项技术难题。未来，随着智能化、轻量化技术的发展，薄煤层液压支架的性能将进一步提升，为薄煤层开采提供更加高效、安全的支护解决方案。

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