大采高综采液压支架选型的工程类比研究.pdf

2013 年 6 月 Feb., 2013 doi10.3969/j.issn.1672- 9943.2013.03.037 大采高综采液压支架选型的工程类比研究 范向阳 （山西阳城皇城相府集团大桥煤业有限公司， 山西 阳城 048102 ） ［摘要］ 根据试验矿井 3 号煤层的赋存特征，借鉴周边矿井 3 号煤层大采高综采工作面的 成功案例， 采用工程类比方法， 确定了液压支架的合理支护强度， 计算了支架的额 定工作阻力， 并进行了液压支架结构优化。工业性试验期间， 经过现场观测并结合 矿压数据分析， 认为 ZY10000/28/62 掩护式支架设计合理， 额定工作阻力满足使用 要求， 尤其是支架使用了整体顶梁带伸缩梁结构， 并且伸缩梁前端带有两级可折叠 式护帮板，伸缩梁和二级护帮板有效解决了大采高工作面片帮和顶板维护难的问 题， 顺利实现了大采高工作面的安全高效开采。 ［关键词］大采高综采；支架选型；支架支护强度；工程类比 ［中图分类号］TD353.4［文献标识码］B［文章编号］1672-9943201303-0096-03 1煤层地质条件及开采现状 晋城地区某矿井开采山西组 3 号煤层。3 号 煤层赋存于山西组下部，煤层倾角 7，煤层厚 4.11～6.0 m， 平均厚 5.41 m， 该煤层属全区稳定可 采煤层。煤层一般含 0～1 层夹矸，夹矸厚度 0.02～0.50 m， 岩性多为炭质泥岩， 结构简单。3 号 煤层顶底板的分布特征如表 1 所示。 表 1煤层顶底板情况 根据 3 号煤层的物理力学参数测定结果， 3 号煤层单向抗压强度平均为 20.05 MPa，煤层硬 度 2，属中硬煤层；直接顶单向抗压强度为 22.27 MPa； 底板单向抗压强度为 64.95 MPa， 属中 硬岩层。 长期以来，该矿井一直采用综采放顶煤工艺 开采 3 号煤层， 采空区遗煤量大， 工作面回采率较 低。而在同期， 晋城地区以寺河矿、 赵庄煤矿为代 表的矿井通过采煤工艺改革，采用大采高综采工 艺实现了 3 号煤层的安全高效开采，取得了显著 的经济效益和社会效益［1-2］。为此， 该矿经研究决 定， 在二采区 3202 工作面率先开展大采高综采工 业性试验。 二采区 3202 大采高综采工作面倾斜长 度 185 m， 推进长度 1 800 m。 2工程类比方法确定液压支架支护强度 液压支架是综采工作面主要设备之一，液压 支架的选型既要考虑设备先进性，又要考虑性能 稳定可靠、 经久耐用。 3202 工作面作为该矿第一个大采高工作面， 在进行支架选型时尚无成熟经验。查阅国内相关 文献发现，支架工作阻力的计算还没有统一的公 式和理论［3-4］。为此， 矿方通过走访调研晋城地区 赵庄矿、寺河矿 3 号煤层大采高工作面的开采案 例，确定采用工程类比方法计算支护强度和支架 工作阻力。 （1 ）类比案例之一 赵庄矿 1301 大采高工作 面。该工作面采用ZY8640/25.5/55 两柱掩护式支 架， 支护强度 1.051.07 MPa， 初撑力 6 413 kN， 额 定工作阻力 8 640 kN，支撑高度 2.805.50 m， 支 架中心距 1.75 m。 工业性试验的实测表明，支架实测工作阻力 和支护强度占额定工作阻力和支护强度的比值如 表 2 所示。 从表 2 可以看出， 实测工作阻力和支护 强度平均值只有额定值的 8090， 最大值超出 额定值68。因此， 支架工作阻力和支护强度 基本可以满足 1301 工作面支护要求。 支架工作阻力频率分布如图 1 所示，从图 1 中可以看出，支架工作阻力位于高工作阻力区间 顶底板岩性厚度 /m岩性描述 基本顶 中粒砂岩 4.18 17.47 石英为主， 长英次之， 斜层理明显， 钙胶结 直接顶 粗粉砂岩2.0 层面含大量植物茎部化石， 层面含 白云母碎片 伪顶泥岩0.10.3 层面含植物茎部化石及白云母星， 随采随落 直接底 粗粉砂岩2.0含砂量由下而上逐渐增多 基本底 细粉砂岩5.0 中间夹薄层黑色泥质及黑色泥质 包裹体， 层面含白云母片 能 源 技 术 与 管 理 EnergyTechnologyand Management 2013 年第 38 卷第 3 期 Vol. 38 No.396 2013 年 6 月 Feb., 2013范向阳大采高综采液压支架选型的工程类比研究 所占比例较大， 1301 工作面支架工作阻力富裕系 数不大。 表 21301 工作面支架工作阻力及支护强度实测 （a ） 工作面上部 （b ） 工作面中部 （c ） 工作面下部 图 1赵庄矿 1301 工作面支架工作阻力分布图 分析赵庄矿 1301 工作面支架的应用效果认 为， 试验矿井 3202 大采高工作面支架支护强度不 能小于 1.07 MPa （折合工作阻力 9 000 kN ） 。 （2 ）类比案例之二 赵庄矿 3301 大采高工作 面。该工作面倾斜长 220 m， 走向长 1 024 m， 煤层 厚 4.26.2 m， 平均 5.5 m， 倾角平均 8。该工作面 ZY12000/ 28/ 62D 两柱掩护式支架采用了伸缩梁 和二级护帮板设计，煤壁片帮大部分控制在300 500 mm 之间， 局部受来压等影响达到 1 000 mm， 顺利实现了大采高工作面回采。 （3 ）类比案例之三 寺河矿大采高工作面。寺 河矿 2307 工作面斜长 220 m， 走向长 2 984 m， 最 大采高达 6.2 m 以上，工作面采用 ZY9400/28/62 大采高液压支架， 支护强度在 1.1 MPa 以上， 重量 36.2 t， 工作面在限产条件下月产达 78 万 t， 平均 月产 66 万 t。 该矿四盘区 4301 工作面加长至 300 m后， 使 用ZY12000/28/62 两柱掩护式支架， 较好地满足了 工作面生产要求。 以上工程类比表明， 3 号煤层大采高综采工 作面支架的合理支护强度不能小于 1.1 MPa。 3支架额定工作阻力的确定 综合以上工程类比结果， 3302 大采高工作面 支架的支护强度取 1.1MPa。根据配套尺寸、 支架 顶梁长度、 梁端距计算支架工作阻力［5］ Pq （LKLD） B 式中， P 为支架工作阻力， kN； q 为支架的支 护强度， 取 1.1 MPa； LK为梁端距， 取 0.5 m； LD为 顶梁长度， 取 4.5 m； B 为支架中心距， 取 1.75 m。 经计算， 支架工作阻力为 9 600 kN 根据上述计算结果， 考虑一定的富裕系数， 工 作阻力确定为 10 000 kN。 4支架结构优化设计 （1 ）采用 1.75 m中心距支架。大采高工作面 由于采高较大，支架的稳定性成为急需解决的难 题，所以现在的大采高两柱掩护式支架开始向大 中心距方向发展。采用 1.75 m、 2.05 m 的中心距 后， 不但可以大大提高支架的稳定性， 而且可以减 少支架数量， 降低设备投入成本， 提高移架速度。 根据 3 号煤层的顶板条件，考虑国内外高产 高效矿井的成功经验和发展方向，选用两柱掩护 式液压支架， 支架中心距为1.75 m。 （2 ）支架高度确定。根据割煤高度 5.4 m， 大 采高综采液压支架的高度为 5.75.8 m较合理， 考 虑到局部煤厚 6 m的特点，确定大采高综采液压 支架的最大高度 6.2 m。 （3 ）整体顶梁、双侧活动侧护板，最大行程 200 mm。3 号煤层的伪顶为 0.10.3 m泥岩， 容易 发生漏顶，采用整体顶梁加双侧护板可及时全封 闭顶板和 “煤皮” 。 （4 ）顶梁前端设计伸缩梁，伸缩梁上铰接二 架 号 实测支架 工作阻力 实测支架 支护强度 平均与 额定值 之比 / 最大值 与额定 值之比 / 平均值 /kN 均方差 /kN 最大值 /kN 平均值 /MPa 最大值 /MPa 317 7951 4159 2100.971.1490.2106.6 667 1061 9519 1560.881.1382.2106.0 957 3591 6879 3590.911.1685.2108.3 97 2013 年 6 月 Feb., 2013 级护帮机构。3 号煤层裂隙发育， 采高增大后， 煤 壁片帮、 架前冒顶的机率增加。为此， 在顶梁前端 增加伸缩梁， 可在不移架时及时支护顶板， 当发生 冒顶时， 伸缩梁可伸出插入到冒顶处， 有效防止更 严重片帮冒顶［6］。采用二级护帮可有效防止煤壁 片帮， 如图 2所示。 图 2二级护帮和伸缩梁结构图 （5 ）长推杆倒装千斤顶推移机构。预计支架 重量将达到 45 t 左右，为了提高移架速度和增加 拉架力， 推移机构千斤顶采用倒装结构。 （6 ）底座前端设计抬底机构。为了防止支架 陷入底板中， 采用抬底机构。 （7 ）其它。 平衡千斤顶采用一根 φ250 mm大 缸径油缸； 前后连杆均为分体式双连杆； 液压支架 两立柱之间设置防护网装置；支架平衡千斤顶下 设计安全防护链；底座上方人行道处设计防滑脚 踏板。 综合以上结构特点， 确定采用 ZY10000/28/62 掩护式液压支架，该支架结构主要参数如表 3 所 示。 表 33302 大采高综采工作面支架参数 5试验大采高工作面开采装备选型结果 综合工作面倾斜长度和两端头顶板管理要 求，基本支架选用 103 架 ZY10000/28/62 型掩护 式支架；过渡支架型号为 ZYG10000/28/62，共 5 架， 机头 2 架， 机尾 3 架。为了减轻工作面下端头 的管理难度， 降低工作面工人劳动强度， 共布置 1 组端头支架， 架型为 ZZD25000/22/45 掩护式液压 支架。运输巷采用超前支架支护，共布置 2 组 ZDC8000/22/45 超前支架。所有支架均采用电液 控制。 采煤机选用国产 MG750/1915- GWD 型电牵 引采煤机，选用 SGZ1000/2700 型刮板输送机， 选用SZZ1000/400 型整体焊接箱式结构桥式转载 机， 选用 PCM375 型锤式破碎机。 6应用效果 工业性试验期间，经过现场观测并结合矿压 数据分析，认为 ZY10000/28/62 型掩护式支架设 计合理， 额定工作阻力能满足使用要求， 尤其是支 架使用了整体顶梁带伸缩梁结构，并且伸缩梁前 端带有两级可折叠式护帮板，伸缩梁和二级护帮 板有效地解决了大采高工作面片帮和顶板维护难 的问题， 顺利实现了大采高工作面安全高效开采。 ［参 考 文 献］ ［1］ 高圣元．寺河煤矿大采高综采装备国产化之路［J］．煤 炭科学技术，2007（5） ［2］ 尹希文，安宇，闫少宏．大采高综采面煤壁片帮特征分 析与应用［J］．采矿与安全工程学报，2008（2） ［3］ 李龙清，荆宁川，苏普正，等．大采高综采支架工作阻 力综合分析与确定［J］．西安科技大学学报，2008（6） ［4］ 夏均民．大采高综采围岩控制与支架适应性研究［D］． 泰安山东科技大学，2004 ［5］ 钱鸣高，石平五．矿山压力与岩层控制［M］．徐州中 国矿业大学出版社，2003 ［6］ 袁永，屠世浩，王瑛，等．大采高综采技术的关键问题 与对策探讨[J]．煤炭科学技术，2010（1） ［作者简介］ 范向阳 （1970-） ， 男， 工程师， 毕业于太原理工大学采 煤专业，现任山西阳城皇城相府集团大桥煤业总工程师， 长期从事煤炭生产技术工作。 ［收稿日期 2012- 11- 21］ 技术指标技术参数技术指标技术参数 支架型号ZY10000/28/62支架形式正四连杆 支护高度 /mm2 800/6 200支架中心距 /mm1 750 支架宽度 /mm1 680/1 880底板前端比压 /MPa2.44.6 初撑力 /kN8 730操作方式电液控制 工作阻力 /kN10 000推移步距 /mm800 支护强度 /MPa1.161.22重量 /t约 45 能 源 技 术 与 管 理 EnergyTechnologyand Management 2013 年第 38 卷第 3 期 Vol. 38 No.398