铜煤集团坚硬顶板特厚煤层6m一次采全高液压支架研究.pdf

同煤集团坚硬顶板特厚煤层 6m 一次采全高液压支架研究 宋银林 大同煤矿集团公司，山西 大同 037003 ［ 摘 要］根据大同煤田 12 号煤层地质情况，分析了坚硬顶板条件下工作面的矿山压力显现特 点以及在该地质条件下大采高液压支架应具备的能力，研制开发了相应的液压支架，满足了该条件工 作面开采需要。 ［ 关键词］液压支架;坚硬顶板;抗冲击;稳定性 ［ 中图分类号］ TD355. 41［ 文献标识码］ B［ 文章编号］ 1006- 6225 201204- 0038- 03 Powered Support for Single- mining 6m Thick Coal- seam under Hard Roof in Tongmei Group ［收稿日期］ 2012－03－19 ［作者简介］ 宋银林 1968－ ，男，山西大同人，高级工程师，现任同煤集团副总工程师。 大同煤矿集团公司厚煤层的工业储量大约为 0. 247Gt，其中可采储量为0. 175Gt，主要分布在四 老沟、永定庄、煤峪口、马脊梁、燕子山、四台、 云岗、晋华宫等矿的 11 号、12 号和 14 号煤层。 其赋存的主要特点为煤层厚度变化大;煤层分叉 合并的情况较多，局部夹石现象严重，夹石硬度较 大;煤层节理裂隙发育，受采动影响，煤壁容易片 帮;煤层顶板的结构、岩性、分层厚度等差异大。 其中，12 号煤层直接顶坚硬，垮落时对工作面液 压支架产生很大的冲击，因此需要研究开发一种适 应坚硬顶板条件的厚煤层一次采全高液压支架，实 现该煤层安全高效开采。 为此，同煤集团和天地科技股份有限公司开采 设计事业部根据大同煤田 12 号煤层特殊地质条件， 联合开发设计了 ZZ13000/28/60 型支撑掩护式液压 支架，支架结构高度 2. 8 ～6. 0m，最大采高 5. 8m， 工作阻力 13000kN，于 2010 年通过 5 万次型式试 验，相继在晋华宫和忻州窑煤矿投入使用。生产结 果表明，该支架结构合理，支护能力满足要求，未 发生结构件开裂和支护性能不足问题。 1地质条件 12 号煤层结构简单，赋存稳定，只在西、中 部发育一至二层夹石，夹石单层最大厚度 0. 6m， 煤层中间薄两边厚，中部发育一 210m 煤层变薄 区，煤层厚度 1. 4 ～ 3. 0m，平均煤厚 2. 2m。东部 煤层3. 0 ～6. 9m，平均煤厚5. 6m，西部煤层3. 0 ～ 7. 3m，平均 5. 8m。工作面有深灰色砂质页岩伪 顶，厚度为 0. 9m;直接顶为深灰色细砂岩，厚 2. 3m;基本顶为灰白色中粗砂岩，厚 18. 2m。底 板为灰细砂岩、砂质页岩。 煤层综合柱状图如图 1 所示。 图 1煤层综合柱状图 2大采高坚硬顶板工作面矿压显现特点 顶板坚硬，完整性好，采空区顶板悬顶长，当 悬顶达到一定长度断裂垮落时，矿压显现十分强 烈。在顶板冲击压力下，支架载荷瞬间突然增大， 要求立柱安全阀能够及时开启，以保证支架立柱和 83 第 17 卷 第 4 期 总第 107 期 2012 年 8 月 煤矿开采 Coal mining Technology Vo1. 17No. 4 Series No. 107 August2012 结构件不受冲击载荷而损坏。 3液压支架架型选择 由于 12 号煤顶板坚硬和不易冒落，因此要求 液压支架具有较高的支撑能力、较强的切顶性能和 抗冲击能力。由于采高最大 5. 5 ～5. 8m，还要求支 架具有较好的稳定性。四柱支撑掩护式支架具有承 载力大、切顶能力强、稳定性好等特点，对坚硬顶 板条件工作面适应性好，因此选用支架。 4工作阻力确定 4. 1 按照采高法确定支护强度 qd K 1Hγ10 －2 85. 82. 510 －2 ≈ 1. 16 MPa 式中，K1为作用于支架上的顶板岩石厚度系数， 一般取 6 ～ 8，大采高取 8;H 为工作面采高， 5. 8m;γ 为岩石密度，取 2. 5t/m3。 4. 2岩石密度法确定支护强度 该方法认为支架支护强度主要同支架上方矸石 冒落带重量和顶板来压时的动载系数有关，即 qz K d M Kp －1 γ 式中，Kd为采高大动载系数，取 2;Kp 为顶板岩 石碎胀系数，取 1. 25;M 为采高，m;取 Mmax 5. 8m;γ 为岩石密度，取 γ25kN/m 3。 将各参数代入计算，得 qz25. 825/ 1. 25－1 1. 16 MPa 以上 2 种计算方法求解的结果基本一致，即支 架的支护强度不能小于 1. 16MPa，考虑一定的安全 系数，最终支架的支护强度取 1. 2MPa。 4. 3额定工作阻力 F 确定 F≥ PBcL/η 式中，P 为综采区工作面额定支护强度，P ≥ 1. 2MPa;L 为支架中心距，取 L1. 75m;Bc为控 顶距，取 Bc5. 8m;η 为支撑效率，取 η0. 98。 F≥1. 21061. 755. 8 /0. 98≥12429 kN 对以上计算结果进行数字圆整，同时考虑立柱 的合理缸径和安全阀压力，得支架额定工作阻力为 F13000kN。 5坚硬顶板条件下大采高液压支架适应性研究 5. 1支架抗冲击研究 通常情况下，由于掩护梁上冒落矸石的作用载 荷与支架水平力相比，几乎可以忽略不计，因此不 必额外计算。在坚硬顶板条件下，顶板断裂时，有 一定的冲击力，支架常因该力而发生纵向滑移，引 起立柱爆裂 、 “鼓肚” 、弯曲和结构件损坏，因此 需要计算冒落矸石对掩护梁的冲击力，计算式为 F kW2 槡gh gt 式中，F 为矸石以冲击的方式作用在掩护梁上的 力，kN;W 为作用矸石的重量，t;h 为矸石冒落 时对掩护梁的冲击高度，m;g 为重力加速度， 9. 81m/s2;k 为矸石对掩护梁作用方式系数;t 为 冲击作用的时间 ，s。 上述计算式中主要参数选取如下 矸石对掩护梁的作用方式系数 k，当大块岩石 直接冲击在掩护梁上时，k 取 1;当大块岩石呈岩 梁冒落，一端作用在掩护梁上，另一端同时作用在 底板矸石时，k 取 0. 5。 矸石冲击作用的时间 t，根据多年的观察和测 试，一般 t0. 01 ～0. 02s。 经估算分析，在大采高条件下，若支架后部 1. 5m 长 3m 厚的悬板以 3. 5m 高度冲击掩护梁时， 对掩护梁的冲击力 F 即可超过 1400t;3m 长 4m 厚 悬臂岩梁以 4m 高度冲击掩护梁，其冲击力超过 4000t。 大块顶板岩石对掩护梁的冲击力 F 可分解为 垂直于掩护梁的力 P1和平行于掩护梁的力 P2 如 图 2 所示 。 图 2顶板大块岩石冲击掩护梁 由图可知，P1 Fcosθ，式中，θ 为掩护梁背 角。P1随 θ 角、采高 h 的减小而增大，因此设计 时尽量增大掩护梁背角、减少掩护梁外露量，使用 中尽量保持液压支架工作在采高上限，减小垮落的 顶板在掩护梁上的作用面积，减小水平推力。 5. 2立柱采取的措施 液压支架立柱安装在顶梁和底座之间，顶板的 冲击压力作用在顶梁上，通过立柱传递到底座。工 作面顶板压力一般呈现周期性显现，液压支架在一 个工作循环 降柱拉架升架 ，立柱的外载特 93 宋银林同煤集团坚硬顶板特厚煤层 6m 一次采全高液压支架研究2012 年第 4 期 征表现为初撑增阻缓慢增阻急增阻恒阻 小幅震荡降柱降阻，其承载特征如图 3。 图 3液压支架立柱承载特征曲线 坚硬顶板工作面，矿压显现较明显，表现为来 压突然，载荷有冲击性，立柱瞬间急增阻，由于冲 击时间很短，常规的立柱安全阀的弹簧动态响应速 度跟不上冲击载荷造成的立柱增阻速度，安全阀卸 载口来不及开启卸压，立柱内腔压力瞬间增大，造 成立柱损坏。立柱承受外载冲击的特征如图 4。 图 4立柱承受外载冲击特征曲线 为此，在立柱上除了安装 200L/min 常用安全 阀外，还在缸体下腔安装 1000L/min 大流量旁路安 全阀，当立柱受到冲击压力时，旁路安全阀及时开 启，快速卸压，以保护立柱不受损坏。 5. 3优化四连杆机构提高支架性能 液压支架四连杆机构参数选择设计时，要求液 压支架在工作段由高位置运动到低位置时，四连杆 双纽线运动轨迹向工作面煤壁方向倾斜，保证水平 摩擦力始终指向采空区，梁端距轨迹曲线如图 5。 水平摩擦力始终指向采空区，通过力的传递， 可以使底座合力作用点向支架后部移动，进而减小 底座前端比压，使支架运动平稳顺利。 5. 4支架纵向稳定性研究 减小四连杆机构销孔间隙，减小顶梁的偏摆 量，提高支架纵向稳定性。通过对纵向稳定性的计 算和分析，当销轴和孔的最大间隙为 1. 0mm 时， 采高在 5. 8m 时，液压支架顶梁纵向偏摆量可达到 72mm;当销轴和孔的间隙设计为 0. 75mm 时，液 压支架顶梁纵向偏摆量可降到 49. 7mm 以内。减小 图 5梁端距变化曲线 销轴和孔的间隙虽然增加了制造和组装的难度，但 根据目前国内的加工水平，完全能够实现。为了减 小四连杆机构的销轴和孔间隙，孔尺寸公差设计为 H10 0， 0. 18 ，轴尺寸公差设计为 h10 － 0. 18，0 ，以保证四连杆机构的销孔间隙在 0. 5 ～ 0. 75mm 之间变化。 减小四连杆铰接的横向配合间隙，减小顶梁、 掩护梁、连杆的偏摆量，提高支架横向稳定性。在 液压支架设计中，四连杆机构连接处的横向间隙设 计为 8mm，档宽公差设计为 －1. 5，0 ，耳座宽 度公差设计为 0，1. 5 ，控制四连杆机构连接处 的横向间隙在 6. 5 ～9. 5mm 范围内变化。 在一定采高下，支架越宽，其稳定性越好。 ZZ13000/28/60 支撑掩护式液压支架的高度已经达 到 6000mm，为了提高支架的稳定性，将支架的中 心距设计为 1750mm。 6液压支架主要参数 架型为四柱支撑掩护式液压支架;支架结构高 度为 2800 ～6000mm;支架宽度为 1660 ～1860mm; 支架中心距为 1750mm;初撑力为 10128kN P 31. 4MPa ;支 架 工 作 阻 力 为 13000kN P 40. 43MPa ;支护强度为 1. 24 ～1. 28MPa;底板前 端比压 2. 1 ～ 4. 2 MPa;移架步距 800mm;泵站压 力为 31. 4MPa;操纵方式为手动控制;重量约 43. 8t/架。 7结论 ZZ13000/28/60 支撑掩护式液压支架在晋华 宫、忻州窑 2 个工作面进行了井下工业性试验，经 过大的冲击压力和复杂地质构造的检验，未出现支 架损坏和支架压死情况，最高日产达到 0. 03Mt， 满足了坚硬顶板工作面开采需要。 下转 59 页 04 总第 107 期煤矿开采2012 年第 4 期 图 9巷道表面位移量曲线 从图 9 中测得的数据可以看出45d 内巷道顶 底板最大移近量为 28mm，从曲线的变化趋势可以 看出，经过 45d 的变形，巷道顶板下沉、底鼓现象 趋势变缓，趋于稳定;两帮移近量为 33mm，并趋 于稳定，说明巷道在采用新的支护方案后，达到了 预期的效果。 4结论 1根据力学特性试验、X 射线衍射 XRD 试验、扫描电镜 SEM试验及风化试验分析得 出软岩巷道围岩失稳机理，围岩性质、水理作用、 风化作用、复杂地质条件及原有支护形式是造成失 稳的原因，其中水理作用是主要因素。 2根据 310 轨道巷失稳原因及破坏状况， 提出了软岩大巷加固策略及支护方案，经过数值模 拟对比优化，确定采用锚注锚网索喷联合支护技 术。工程应用表明，对软弱破碎围岩巷道能够起到 较好的支护作用。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 何满潮 . 煤矿软岩工程技术现状及展望 ［J］ . 中国煤炭， 1999，25 8 13－16. ［ 2］ 刘黎明，杨磊 . 松散破碎软岩巷道底鼓控制的试验研究 ［J］ . 湖南科技大学学报 自然科学版 ，2007，22 2. ［ 3］ 何满朝 . 煤矿力学软岩变形机制与支护对策 ［J］ . 水文地质 工程地质，1997 2 12－16. ［ 4］ 吴和平，陈建宏，张涛，等 . 高应力软岩巷道变形破坏机 理与控制对策研究 ［J］ . 金属矿山，2007 9 50－54. ［ 5］ 陆士良，汤雷，杨新安 . 锚杆锚固力与锚固技术 ［M］ . 北 京煤炭工业出版社，1998. ［ 6］ 方新秋，何杰，何加省 . 深部高应力软岩动压巷道加固技 术研究 ［J］ . 岩土力学，2009，30 6 1693－1698. ［ 7］ Itasca Consulting Group，Inc. . FLAC3D fast lagrangian anslysis of continua in 3 dimensionsusers manual Ver. 2. 00［R］ . Min- neapolis，USAItasca Consulting Group，Inc. ，1997. ［ 责任编辑姜鹏飞］ 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 上接 10 页 3基于 SVM 的厚松散层矿区的下沉系数计 算模型综合考虑了影响下沉系数的主要地质采矿因 素，为没有观测站的类似矿区提供了一种计算下沉 系数的新方法，其他预计参数可以类比具有相同基 岩的薄松散层矿区的参数，有较高的实用价值。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 中华人民共和国国家煤炭工业局 . 建筑物、水体、铁路及主 要井巷煤柱留设与压煤开采规程 ［M］ . 北京煤炭工业出版 社，2000. ［ 2］ 高荣久，胡振琪，谢宏全，戚家忠 . 特厚冲积层非主断面观 测站岩移参数的求取 ［J］ . 辽宁工程技术大学学报，2006， 25 3 332－335. ［ 3］ 米丽倩，查剑锋，刘丙方 . 概率积分法参数对预计地表下沉 的影响度分析 ［ J］ . 煤矿开采，2011，16 4 13－16. ［ 4］ 郭文兵，邓喀中，邹友峰 . 概率积分法预计参数选取的神经 网络模型 ［ J］ . 中国矿业大学学报，2004，33 3. ［ 5］ 余华中，李德海，李明金 . 厚松散层放顶煤开采条件下地表 移动参数研究 ［ J］ . 焦作工学院学报 自然科学版 ，2003， 22 6 413－416. ［ 6］ 王金庄，常占强，陈勇 . 厚松散层条件下开采程度及地表 下沉模式的研究 ［ J］ . 煤炭学报，2003，28 3 230－234. ［ 7］ 蒋爱武，谢寿生 . 基于支持向量机和粒子群算法的压气机特 性计算 ［J］ . 航空动力学报，2010，25 11 2571－2577. ［ 8］ 李永树，王金庄，陈勇. 开采沉陷地区下沉系数分析 ［J］. 矿业研究与开发，1998，18 2 1－7. ［ 9］ 李培现，谭志祥，闫丽丽，等 . 基于支持向量机的概率积分 法参数计算方法 ［ J］ . 煤炭学报，2010，35 8. ［ 10］ 张宏贞，邓喀中，刘洪义 . 老采空区残余下沉系数的神经网 络模型研究 ［ J］ . 采矿与安全工程学报，2009，26 3. ［ 11］ 郭文兵，邓喀中，邹友峰 . 条带开采下沉系数计算与优化设 计的神经网络模型 ［J］ . 中国安全科学学报，2006，16 6 40－45. ［ 12］ 于宁锋，杨化超，邓喀中，等 . 基于 PSO 和 SVM 的矿区地 表下沉系数预测 ［J］ . 辽宁工程技术大学学报 自然科学 版 ，2008，27 3 365－367. ［ 13］ 郭文兵，邓喀中，邹友峰 . 地表下沉系数计算的人工神经网 络方法研究 ［ J］ . 岩土工程学报，2003，25 2 212－215. ［ 14］ 邹友峰 . 地表下沉系数计算方法研究 ［J］ . 岩土工程学报， 1997，19 3 109－112.［ 责任编辑张玉军］ 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 上接 40 页 ［ 参考文献］ ［ 1］ 王国法，赵 志 礼 . 液压支架双伸 缩 抗 冲 击立柱动态 分 析 ［J］ . 煤矿开采，2010，15 2 62－64. ［ 2］ 赵国栋 . 应 用 于 大 采 高、坚 硬 顶 板 条件 的支架设计 分 析 ［ J］ . 山西煤炭管理干部学院学报，2003 2 41－43. ［ 3］ 朱军 . 年产千万吨综采工作面液压支架的研制 ［J］ . 煤矿 开采，2011，16 3 98－100. ［ 4］ 刘俊峰 . 两柱掩护式大采高强力液压支架适应性研究 ［D］ . 北京煤炭科学研究总院，2006.［ 责任编辑徐亚军］ 95 彭余生等辛置矿软岩大巷破坏原因分析及加固对策2012 年第 4 期