基于大型综放端面冒漏顶片帮控制的俩柱支架支护参数研究.pdf

煤炭科技 机电与信息化 基于大型综放端面冒漏顶片帮控制的 两柱支架支护参数研究 * 何富连 田金泽 杨彦宏 张军辉 翟高峰 中国矿业大学 北京 资源与安全工程学院, 北京市海淀区,100083 摘 要 现场实测采场矿压信息, 统计综放端面冒漏片帮分布特征,回归分析综放端面 冒漏片帮与支护参数的相关性关系,得出冒漏顶片帮控制的关键影响因素, 评价现有综放四 柱支架对端面冒漏片帮的控制效果,并提出架型改进的合理化建议。分析综放两柱支架对端 面冒漏片帮的控制效果,数值模拟计算确定综放两柱支架关键支护参数。 关键词 综放端面 工作面液压支架 两柱支架 冒顶 片帮 支护参数 中图分类号 T D3554 文献标识码 B *国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目 资 助 2010CB226802; 教育部留学回国人员科研启动基金项目 资助 2007- 1108 。 A study of support parameters of two -leg roof supports for control of roof/ rib fall on large fully mechanized longwall faces with top coal caving He Fulian, Tian Jinzhe, Yang Yanhong, Zhang Junhui, Zai Gaofeng Faculty of Resources and Safety Engineering, China University of Mining and Technology Beijing , Haidian, Beijing 100083, China Abstract Key factors affecting roof/ rib fall control are identified, the result of existing four - leg supports in controlling roof/ rib fall on fully mechanized mining with top coal caving is ua - ted and recommendations on improving the configuration of supports are made in light of actual ground pressures measured at stopes underground, the calculated characteristics of roof/ rib fall distribution and a regression analysis of the correlation between roof/ rib fall and support parame - ters. The result of two -leg supports in controlling roof/ rib fall on longwall faces is also analyzed and key parameters for two -leg supports are determined using numerical simulation. Key words fully mechanized mining with top coal caving, power support, two - leg supports, roof fall, rib fall, parameter of support 端面的稳定性与顶煤的破碎状况、裂隙产状等 因素有直接联系, 而在端面无支护空间, 裂隙与水 平方向的夹角与煤的力学特性和赋存状态有关。千 万吨级安全高效矿井普遍开掘大型综放面,但大型 综放端面煤体强度低、稳定性差、承载能力弱,易 出现水平拉应力集中, 造成严重的冒漏顶和煤壁片 帮事故,制约了综放面安全高效开采。综放两柱掩 护式支架能产生一个水平力作用于顶板, 有利于端 面稳定性的控制。因此,研究综放端面煤岩体冒漏 顶片帮的关键影响因素,确定综放两柱支架的支护 参数, 是解决大型综放端面控制难题的有效技术探 索。 1 工程地质及开采技术条件 中煤平朔煤业公司安家岭井工二矿 9 煤层厚 8 9 13 65 m, 平均厚度 11 69 m,煤层倾角 18 3 8 ,平均 2 8。煤层为半亮 -半暗型,油脂光 泽,条带状结构,裂隙较发育,含夹矸 2 7 层, 夹矸岩性多为黑色粉砂岩,局部中间夹灰褐 -黑褐 色高岭石 2 3 层。直接顶板以中粗砂岩为主,有 时为细砂岩, 局部有灰黑色泥岩;直接底板以泥质 72 中国煤炭第 37 卷第 4 期2011 年 4 月 岩类为主,灰色 -灰黑色。B906 综放面倾斜长度 300 5 m,可采走向长度 1610 m, 机采高度33 m, 放煤高度 84 m。现采用 MGTY750/ 1800- 33D 型采煤机、195 架 ZFS10000/ 23/ 37 型工作面支架、 8 架 ZFG10000/ 23/ 37 型过渡支架、SGZ1000/ 2 1000 型前部刮板输送机、SGZ1200/ 2 1000 型后 部刮板输送机、SZZ1200/ 700 型转载机及 PCM400 型破碎机进行配置。 安家岭井工二矿为千万吨级安全高效矿井,现 采用的四柱支撑掩护式液压支架虽然已基本实现矿 井安全高效开采, 但全矿多数综放面出现过冒顶片 帮现象,个别综放端面煤岩体出现严重冒顶片帮事 故,如 B907工作面端面开采过程中出现过大的冒 顶片帮,冒高超过 8 m,片深达 1 2 m; B906 综 放端面煤岩体多次出现小范围的严重冒顶片帮现 象。为了使支护装备更加安全可靠, 开展端面稳定 性控制的架型改进的研究是非常有必要。 2 综放端面冒漏片帮关键影响因素实测分析 2 1 B906 综放工作面矿压信息实测 矿压监测小组对 B906 综放工作面支架立柱液 压、支架几何位态与端面冒漏片帮信息进行现场矿 压信息实测。测站位置分别为工作面 6、53、 100、148和 197液压支架处。在工作面推进过 程中, 记录推进度、采集支架液压信息数显表读 数;运用坡度规、钢卷尺现场实测支架端面距、顶 梁台阶、立柱倾斜角、顶梁俯仰角、推运夹角、带 式输送机倾向角; 采用钢板尺、钢卷尺观测端面顶 板冒高、冒宽、冒长, 冒落岩块的几何尺寸及煤壁 片帮深度、长度, 片帮类型等端面冒漏片帮信息。 2 2 综放端面冒漏片帮状况分布特征 统计分析 B906 综放面端面煤岩体冒漏顶片帮 状况的现场实测数据, 得出 B906 工作面冒顶片帮 状况分布特征见图 1。由图 1 可知,B906 综放工 作面冒高、片深小于 0 5 m 的观测数据分别占 82 和 91,冒 漏 顶、片帮控制状况基本可 以满足安全高效生产的要求;局部出现超过 075 m 的冒顶片帮现象,主要集中在工作面中部和中 上部区域。在以后的开采实践中要加强中部及中下 部区域端面煤岩体的控制, 尤其在周期来压期间。 2 3 端面冒漏片帮与支护参数关系分析 综放端面冒漏顶片帮状况和支架几何位态密切 相关, 而且受支架液压大小的影响, 为分析冒漏片 帮状况与支护参数相关性关系, 引入回归分析的方 法。回归分析研究测值变量之间的非确定关系,研 究一个随机变量与一个 或几个 可控变量之间的 相关关系的统计方法。 图 1 冒顶片帮变化特征 取本次实测数据的 50 组样本,分别以端面煤 岩体冒高和片深为控制目标,以影响控顶效果及片 帮状况的支护参数 包括端面距、顶梁台阶、顶梁 俯仰角、支架液压 为自变量, 借助 MAT LAB 程 序设计,对观测数据进行回归参数计算, 选定相关 系数 r 值最大的回归曲线作为最佳的回归关系,并 检验回归效果的显著性,所得的回归曲线方程可确 定端面冒漏片帮与支护参数的相关性关系。冒漏顶 片帮与支护参数的回归关系见表 1。 表 1 冒漏顶片帮与支护参数的回归关系 回归函数/ m相关因素回归方程 冒高 h支架端面距 d/mh- 0082318915d; n 50; r 0 8194 冒高 h支架顶梁台阶 c/ mh 02369exp 00611c; n 50; r 0 8173 冒高 h支架顶梁俯仰角/ h 0 2206 01564 | | ; n 50; r06756 冒高 h支架液压 P/ MPah - 00605 13 9545/P; n 50; r 0 7337 片深 e支架端面距 d/me0 2385 0 7546d; n 50; r 0 5439 片深 e支架顶梁台阶 c/ me0 0380exp 0 6034c ; n 50; r 0 6528 片深 e支架顶梁俯仰角/ e 0 2597 | | 04441; n 50; r 04848 片深 e支架液压 P/ MPae 0 1628 71450/ P; n 50; r 06251 冒高 h片深 e/ mh 1 2533 0 7476 log e ; n 50; r 07929 73 基于大型综放端面冒漏顶片帮控制的两柱支架支护参数研究 回归分析结果表明,冒高 h、片深 e 随端面距 d、顶梁台阶 c、顶梁俯仰角的增大而显著增大, 随支架液压 P 的增大而减小, 分别呈线性、指数、 线性、倒幂函数相关性关系。冒高 h 与采面片深 e 情况密切相关,端面冒漏随着煤体片帮程度的加剧 而增大,片帮也随着冒漏程度的加剧而增大, 呈对 数函数相关性关系。B906 综放端面冒漏顶的关键 影响因素为支架液压和端面距。冒高 -支架端面距 相关性关系见图 2,片深 -支架液压相关性关系见 图 3。ZF10000/ 23/ 37D 型四柱支撑掩护式放顶煤 支架可以较好地控制端面煤岩体的冒顶片帮, 但是 工作面有时会出现局部严重冒顶片帮现象,导致支 架 -围岩事故, 制约工作面高效回采, 建议采用综 放两柱支架改善端面控制效果。 3 综放两柱支架支护参数研究 3 1 综放两柱支架控制端面破坏效果分析 综放两柱掩护式支架在初撑阶段顶梁有向工作 面方向的水平运动,能产生一个有效水平力作用于 端面煤岩体。改善端面煤岩体的应力分布,降低拉 应力破坏区, 有利于端面煤岩体破坏的控制。现场 实测发现, 工作阻力偏低的两柱掩护式支架控制破 坏严重的直接顶效果大大好于工作阻力略高的四柱 支撑掩护式支架。而且,两柱掩护式支架采用两个 立柱, 支架结构简单且可靠性高,不会出现前、后 立柱受力不均衡的现象,支架立柱的支撑力可以得 到充分发挥。 3 2 综放两柱支架关键支护参数确定 3 2 1 数值计算模型与方案设计 选用 UDEC4 0 进行数值模拟计算, 模拟不同 工作阻力、端面距 梁端距 条件下综放两柱支架 对 B906 综放端面冒漏片帮的控制效果,分析确定 支护参数的合理设计值范围,见表 2。 表 2 模拟方案表 模拟方案工作阻力/kN模拟方案端面距/ m I- 18000II- 10 25 I- 28500II- 20 5 I- 39000II- 30 75 I- 49500II- 41 00 I- 510000II- 51 25 I- 610500II- 61 5 计算模型选取工作面的推进方向为 x 轴,竖 直方向为 y 轴方向,建立 150 m 50 m 的计算模 型。上边界施加 5 39 MPa 的均布铅垂压应力,下 部底板、左侧岩体和右侧实体煤简化为位移边界条 件,围岩本构关系采用摩尔 库仑模型。 3 2 2 数值模拟结果分析 端面破坏参数与工作阻力关系见图 4,端面破 坏参数与端面距关系曲线见图 5。 由图 5 可知, 随着端面距的 下转第 78页 74 中国煤炭第 37 卷第 4 期2011 年 4 月 于设计规定的最大启动力矩 5 3 10 7 N mm,符 合设计要求。 5 结语 虚拟样机技术为制造技术的革新提供了新的设 计方法,并已在制造业中发挥了不可忽视的作用, 虚拟样机技术的优势使其日益受到机械领域的重视。 井下车辆存在着开发周期长、制造成本高等特点, 虚拟样机技术的引入减少了进行物理样机试验的次 数, 降低了成本, 大大提高了产品的市场占有率。 参考文献 [ 1] 王国强等. 虚拟样机技术及其在 ADAMS 上的实践 [ M] . 西安 西北工业大学出版社, 2002 [ 2] 李丹, 李印川. 虚拟样机技术在制造业中应用及研 究现状 [ J] . 机械, 2008 6 作者简介 潘璇 1986- , 女, 内蒙赤峰人, 中国矿 业大学 北京 机电与信息工程学院硕士研究生, 主要研 究方向 计算机辅助车辆设计。 责任编辑 张艳华 上接第 74 页 逐渐增大,端面煤岩体冒落越来 越严重,片帮程度进一步加深, 形成的结构愈加不 稳定。端面距小于 075 m 时,端面顶板控制效果 较好, 端面距为 10 m 时,端面出现顶煤冒漏和 煤壁片帮, 冒高和片帮深度均在0 5 m左右,但是 在端面形成了较好的冒落拱,且拱的两翼坡度较 缓, 端面控制开始出现一些困难;端面距为 15 m 时,冒顶和片帮十分严重, 端面已经难以控制。 由以上分析可知, 综放两柱支顶掩护式支架端 面距控制指标值应小于 0 75 m,额定工作阻力合 理值为 8500 kN。 4 结论 1 大型综放端面煤体强度低, 易产生指向采 空区方向的水平拉应力,出现严重端面冒漏片帮事 故,综放两柱支架可以改善端面煤岩体应力分布, 降低拉应力破坏区,有利于综放端面冒漏片帮控 制。 2 现场实测矿压信息的 MAT LAB 程序回归 分析结果表明,安家岭 B906 大型综放面端面冒漏 片帮的关键影响因素为支架液压和端面距。 3 UDEC 数值模拟结果表明,安家岭井工 二矿 B906 大型综放面两柱掩护式支架的合理设计 值为 8500 kN,端面距控制指标为 075 m。 参考文献 [ 1] 张勇, 郝海金 放顶煤工作面端面稳定性控制[J] 矿山压力与顶板管理, 2003 3 [ 2] 方新秋, 钱鸣高, 曹胜根, 缪协兴 不同顶煤条件 下支架工作阻力的确定 [ J] 岩土工程学报, 2002 2 [ 3] 赵洪亮, 何富连, 臧传伟, 瞿群迪 综放采场矿压 显现规律实测研究 [ J] 矿山压力与顶板管理, 2000 2 [ 4] 陈久宇, 林见 观测数据的处理方法 [M ] 上海 上海交通大学出版社, 1987 [ 5] Syd S Peng, H SChiang, D R Zhu et alMonito - ring and uation of Different Types of Powered Supports Employed in Longwall Panel LW - 17 at Cumberland M ine, U SX, WVU, USA,July 1989 [ 6] 朱德仁, 蒋永明等 二柱掩护式支架水平力的研究 [ J] 中国矿业大学学报, 1990 9 作者简介 何富连 1966- , 男, 浙江临海人, 中国 矿业大学 北京 教授, 博士生导师, 主要从事矿山压力 与岩层控制、安全技术及灾害防治等方面的研究工作。 责任编辑 张艳华 78 中国煤炭第 37 卷第 4 期2011 年 4 月