麻家梁煤矿放顶煤工作面液压支架选型.pdf

麻家梁煤矿放顶煤工作面液压支架选型 赵明 煤炭科学研究总院 安全装备技术研究分院，北京 100013 ［ 摘 要］通过对麻家梁煤矿地质条件分析，采用顶板结构分析估算法和数值模拟分析方法对 液压支架支护强度进行确定，并确定放顶煤支架的架型、工作阻力及主要参数。 ［ 关键词］放顶煤;支护强度;液压支架 ［ 中图分类号］ TD355. 42［ 文献标识码］ B［ 文章编号］ 1006- 6225 201104- 0074- 02 Lectotype of Powered Support for Full- mechanized Caving Mining Face in Majialiang Colliery ［ 收稿日期］ 2011 －04 －21 ［ 作者简介］ 赵明 1974 － ，男，辽宁阜新人，工程师，从事液压支架设计与研究工作。 1煤层赋存条件与采煤工艺 麻家梁井田初期以 2 个采区实现矿井设计生产 能力。一采区煤层赋存稳定，倾角仅 1 ～ 3，4 号 煤层厚度 4. 65 ～8. 99m，平均为 6. 65m，夹矸一般 3 ～5 层，含夹矸煤层平均厚度 7. 58m;二采区倾 角 6左右，4 号煤层厚度 7. 94 ～ 10. 66m，夹矸一 般 3 ～5 层，含夹矸原煤平均厚度 9. 44m，纯煤平 均为 8. 60m。 4 号煤层顶板也以泥岩为主，底板以也泥岩为 主，有少量砂岩，地质构造相对简单。该矿井为低 瓦斯矿井，煤尘有爆炸危险性，煤层属易自燃煤 层，地质构造简单，水文地质条件简单。 4 号煤层平均埋深 400m，采用综采放顶煤开 采时，顶煤易冒落。在一、二采区采煤机割煤高度 3. 2m，放顶煤高度分别为 4. 38m 和 6. 24m，采放 比分别为 1∶ 1. 37 和 1∶ 1. 95。 2工作面支架合理支护强度计算 针对麻家梁矿井的实际地质条件，结合分析以 往综放支架工作阻力计算过程中支架工作阻力的构 成情况，主要应用以下 2 种方法确定综放工作面支 架的合理支护强度建立在支架工作阻力构成分析 基础之上的顶板结构分析估算法，建立在支架与围 岩相互作用关系基础之上的数值模拟分析方法。 2. 1顶板结构分析估算法 该计算方法的理论基础是工作面支架工作阻力 承受直接顶和顶煤的载荷，并平衡基本顶失稳时对 支架的动载，支护强度计算公式为 q Kd qd qc qd γ dh， qc γ cMc h 0. 8M Kp－ 1 考虑放顶煤的放出率为 80 式中，q 为工作面支架所需支护强度; Kd为基本顶 失稳时的动载系数，一般取 1. 1 ～1. 8; qd为直接顶 自重应力;γd为直接顶岩层体积力;h 为直接顶垮 落充填高度; qc为支架上方顶煤自重应力; γc为煤 层体积力; Mc为支架上方顶煤高度; M 为煤层一次 采出厚度; Kp为直接顶垮落碎涨系数，一般取1. 25 ～1. 5。 1根据工作面实际地质情况，煤层厚度为 9m 时 h 0. 8 9 1. 3 － 1 24 m Kp取 1. 3 q 1. 5 2420 9. 8 24 1400 9. 8 9 － 3. 2 0. 9731 MPa 按煤层厚度为 9m 时，支架最小支护强度为 0. 9731MPa。 2煤层厚度为 10. 5m 时 h 0. 8 10. 5 1. 3 － 1 28 m Kp取 1. 3 q 1. 5 2420 9. 8 28 1400 9. 8 10. 5 － 3. 2 1. 146 MPa 按煤层厚度为 10. 5m 时，支架最小支护强度 为 1. 146MPa。 综合考虑煤层厚度影响，此方法最终确定的支 架支护强度为 1. 15MPa。 2. 2数值模拟计算方法 20 世纪 60 年代，国内外曾多次进行了支架工 作阻力 P 与顶板最终下沉量 ΔL 之间关系的试验。 根据实验室和现场观测成果证明了工作阻力与顶板 最终下沉量 ΔL 即由煤壁到采空区一侧是一近 47 第 16 卷 第 4 期 总第 101 期 2011 年 8 月 煤矿开采 Coal mining Technology Vo1. 16No. 4 Series No. 101 August2011 似的双曲线，称为 “P － ΔL”曲线。当支架支护强 度较小时，顶板 煤下沉量会随着支护强度的 增大而急剧减小，当支护强度达到一定范围后，继 续增大支护强度，对限制顶板 煤下沉量的作 用明显减弱，也就是说在支架支护强度和顶板 煤下沉量关系曲线中存在一个拐点，这个拐点 就是支架最合理的支护强度。 基于上述理论，根据矿井实际地质条件采用 FLAC 数值计算软件进行了模拟。 计算中，上边界采用重力加载，采用莫尔 － 库 仑 Mohr － Coulomb屈服准则判断岩体的破坏 fs σ1 － σ 3 1 sinφ 1 － sinφ － 2c 1 sinφ 1 － sin 槡 φ 式中，σ1，σ3分别是最大和最小主应力，c， 分 别是黏聚力和内摩擦角。 当 f s＞0 时，材料将发生剪切破坏。在通常应 力状态下，岩体的抗拉强度很低，因此，可根据抗 拉强度准则 σ3≥σT判断岩体是否产生拉破坏。 模型左、右两面约束其 X 方向位移，底面约束其 X，Y 两个方向的位移，顶面无约束。模型采用的 岩石力学参数见表 1 所示。进行了网格剖分及初始 地应力平衡分析。 表 1计算采用的岩石力学参数 煤岩 名称 密度/ kg m－3 体积模 量/MPa 剪切模 量/MPa 抗拉强 度/MPa 内摩擦 角/ 黏聚力 /MPa 细砂岩2420400030002230. 5 中砂岩2360250010002. 5291. 5 泥岩2590470034001290. 5 煤140011324430. 65344. 0 为了得到合理的支架支护强度，分别进行了煤 厚为 9m，10. 5m 时开采模拟，其支护强度与工作 面顶板下沉量曲线分别如图 1 和图 2 所示。 图 1煤厚 9m 时“P － ΔL”曲线 通过对图 1、图 2 进行分析发现，支架支护强 度与顶板下沉量之间的拐点均为 1. 1MPa，因此， 最终可确定支架的合理支护强度为 1. 1MPa。 综合分析上述 2 种支护强度计算方法，建议支 架的合理支护强度取 1. 15MPa。 图 2煤厚 10. 5m 时“P － ΔL”曲线 3液压支架选型 3. 1架型选择 低位放顶煤支架主要有 2 种形式一是反四连 杆放顶煤支架;另一种是正四连杆放顶煤支架。由 于反四连杆放顶煤支架受其结构限制，在大工作阻 力的情况下四连杆机构的强度较难保证，且不太适 合高度范围变化大的支架。而正四连杆放顶煤支架 能克服其缺点，并且在全国广泛使用，其效果十分 理想，此种架型在国内有单面年产 6. 0Mt 的纪录。 结合麻家梁矿综放工作面的特点，选择正四连杆低 位放顶煤支架。 3. 2综放支架工作阻力确定 由前面分析计算可知，麻家梁煤矿综放工作面 所需的支护强度应大于 1. 15MPa，因此，支架的工 作阻力应为 P qz LK LD B/η 式中，P 为支架工作阻力，kN;LK为梁端距， 0. 4m;LD为顶梁长度，5. 5m;B 为 支 架 宽 度， 1. 75m;η 为支撑效率 0. 92。 将数据代入计算得P 1290 kN 因此，将液压支架工作阻力确定为 1300kN。 3. 3放顶煤液压支架结构与参数 图 3 为 ZF13000/25/38 型放顶煤支架结构，其 参数如下 图 3四柱支撑掩护式低位放顶煤支架 支架结构高度 2500 ～3800mm;支架宽度 1660 下转 51 页 57 赵明麻家梁煤矿放顶煤工作面液压支架选型2011 年第 4 期 限 Ts0. 06，开采5 煤是不可行的;考虑下奥陶统 隔水关键层后， Ts P/M 3/48. 6 0. 062， 接近带 压开采安全上限 Ts，进行一定的防治水措施即可 开采。图 4 和图 5 为利用观 1 等 13 个进行抽水试 验的钻孔水位资料，结合煤层底板以及隔水层厚度 得出的考虑下奥陶统隔水关键层前后矿区的突水系 数等值线图。不考虑下奥陶统隔水关键层时 图 4 ，整个矿区5 煤底板的突水系数是大于安全上限 0. 06 的;考虑了下奥陶统隔水关键层后 图 5 ，整 个矿区5 煤底板的突水系数均小于安全上限0. 06，5 煤可以安全开采。在矿区的实际开采过程中，下组 5 煤已经得到安全开采，进一步证实了奥陶统顶部 隔水关键层的存在，与本文分析的结果相吻合。 图 4不考虑隔水关键层时突水系数等值线 图 5考虑隔水关键层时突水系数等值线 4结论 通过对奥陶统顶部岩性分析以及对奥陶统富水 位置的研究，确定了奥陶统顶部隔水关键层的存 在，并且确定其厚度为 25m，有效隔水层厚度因此 大大增加，从而在理论上证明了开采在不考虑隔水 关键层时不能开采的下组 5 煤是安全的，这也在矿 区的实际开采过程中得到验证。隔水关键层理论在 华北其他矿区也是有效的，这对于解放下组煤有着 重要的意义。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 缪协兴，浦海，白海波 . 隔水关键层原理及其在保水采煤 中的应用研究 ［J］ . 中国矿业大学学报，2008，37 1. ［ 2］缪协兴，陈荣华，白海波 . 保水开采隔水关键层的基本概念及 力学分析 ［ J］ . 煤炭学报，2007，32 6 561 －564. ［ 3］ 钱鸣高，缪协兴，许家林，等 . 岩层控制的关键层理论 ［ M］ . 徐州中国矿业大学出版社，2003. ［ 4］ 缪协兴，钱鸣高 . 采动岩体的关键层理论研究新进展 ［J］ . 中国矿业大学学报，2000，29 1 25 －29. ［ 5］ 茅献彪，缪协兴，钱鸣高 . 采动岩体中关键层的破断规律研 究 ［ J］ . 中国矿业大学学报，1998，27 1 39 －42. ［ 6］白海波 . 奥陶顶部岩层渗流力学特性及作为隔水关键层应用研 究［ D］ . 徐州中国矿业大学， 2008. ［ 7］汤邦义，周忠孝，王秀进 . 山西省太原西山奥陶系岩溶水特征 及其资源的初步评价 ［A］ . 中国北方岩溶和岩溶水 ［M］ . 北京地质出版社，1982. ［ 8］李定龙，周治安，王才会 . 华北地区奥陶系灰岩岩溶研究的几 点思考 ［ J］ . 世界地质， 1997， 16 1 60 －65， 100. ［ 9］张之淦 . 娘子关地区马家沟灰岩岩溶 ［A］ . 中国地质学会第 二届岩溶学术会议论文选集 ［ C］ . 北京科学出版社， 1982. ［ 10］王长申，白海波，缪协兴. 漳村矿峰峰组隔水关键层孔隙性实 验研究 ［ J］ . 中国矿业大学学报， 2009. 38 4 455 －462. ［ 11］付雷，李壮福，许进鹏，等. 王家岭煤矿中奥陶统峰峰组隔 水特征分析 ［ J］ . 中国煤炭地质，2010，22 3 28 －31. ［ 12］范春学，李同霖 . 对峰峰鼓山奥陶系中统富水性的调查分析 ［ J］ . 北京地质，2001 1 12 －15. ［ 13］李春意，崔希民，袁德宝，等 . 隔水关键层水文地质概念模 型的建立与分析 ［ J］ . 煤矿安全，2009 4 11 －15. ［责任编辑李宏艳 檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯 ］ 上接 75 页 ～1860mm;支架中心距 1750mm;初撑力 7730kN P 31. 4MPa ;支 架 工 作 阻 力 1300kN P 40. 43MPa ;支 护 强 度 1. 15 MPa;泵 站 压 力 31. 4MPa;操纵方式为本架操纵;重量约 37. 5t。 4结论 1通过对麻家梁煤矿地质条件分析计算， 确定了在 4 号煤层的合理支护强度为 1. 15MPa。 2支架选择为四柱支撑掩护式低位放顶煤 液压支架，液压支架的工作阻力确定为 13000kN。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 煤炭工业太原设计研究院 . 麻家梁矿井可行性研究报告［ R］ . 2009. ［ 2］ 庞义辉，孟二存 . 同煤集团麻家梁煤矿放顶煤工作面设备选 型 ［ R］ . 2009. ［ 3］ 祝凌甫，闫少宏 . 大采高综放开采顶煤运移规律的数值模拟 研究 ［J］ . 煤矿开采，2011，16 1 11 －13，40. ［ 4］ 闫少宏 . 综放开采支架工作阻力确定的理论与应用 ［J］．煤 炭学报，2001 6 18 －20.［责任编辑邹正立］ 15 崔祥琨等蔚州煤田中 － 下侏罗统下组煤底板带压开采可行性研究2011 年第 4 期