六柱支撑式固体充填采煤液压支架结构及工作原理研究.pdf

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第2 0卷第4期 2 0 1 1年4月 中 国 矿 业 C H I N A M I N I N G MA G A Z I N E V o l . 2 0,N o . 4 A p r . 2 0 1 1 六柱支撑式固体充填采煤液压支架结构及 工作原理研究 徐俊明1 ,2,谭辅清1,3,巨 峰1,3,安百富1,3 ( 1. 中国矿业大学矿业工程学院,江苏 徐州2 2 1 1 1 6;2. 西山煤电 ( 集团)有限责任公司, 山西 太原0 3 0 0 5 3;3. 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏 徐州2 2 1 0 0 8 ) 摘 要本文介绍了六柱支撑式固体充填采煤液压支架的基本结构及特点,支架高支护阻力,有利 于控制顶板的初始下沉,保证充填空间;增设的压实机构对充填物料施加的压实力,提高了其密实度和 接顶率,增强了充填体抗压力学性能。提出充填支架与围岩相互作用体系是由 “ 顶板-支架-底板,煤壁- 支架-充填”共同组成,并以此建立支架与围岩的作用力学模型,分析了到达理想充填效果时,支架最 大集度载荷和各立柱受力情况。论述了六柱式充填支架基本移架方式及移架过程中其结构受力特征,建 议对于不同条件,应选择合理的移架方式。 关键词固体充填采煤;六柱支撑式液压支架;受力分析;移架方式 中图分类号T D 3 5 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 4-4 0 5 1(2 0 1 1)0 4-0 1 0 1-0 4 P r i n c i p l e a n d s t r u c t u r e o f b a c k f i l l s u p p o r t s w i t h s i x p r o p s XU J u n-m i n g 1,2,TAN F u -q i n g 1,3,J U F e n g1,3,AN B a i -f u 1,3 (1. S c h o o l o f M i n i n g,C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g a n d T e c h n o l o g y,X u z h o u 2 2 1 1 1 6,C h i n a; 2. X i s h a n C o a l E l e c t r i c i t y(G r o u p)C o . ,L t d .,T a i y u a n 0 3 0 0 5 3,C h i n a; 3.S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o a l R e s o u r c e s a n d M i n e S a f e t y,X u z h o u 2 2 1 0 0 8,C h i n a) A b s t r a c tS t r u c t u r e o f a n e w t y p e o f c h o c k s u p p o r t u s e d i n b a c k f i l l m i n i n g f a c e,i s i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r . I n o r d e r t o e n s u r e t h e b a c k f i l l s p a c e,t h i s s u p p o r t h a s a h i g h r e s i s t a n c e t o d e c r e a s e r o o f c o n v e r- g e n c e .A n d a s p e c i a l t a m p i n g p a r t i s f i x e d t o r a i s e t h e c o m p a c t n e s s o f b a c k f i l l m a t e r i a l s . B a s e d o n o b s e r v a- t i o n o f m u t u a l a c t i o n b e t w e e n s u p p o r t a n d s u r r o u n d i n g r o c k,a m e c h a n i c a l m o d e l i s c r e a t e d t o c a l c u l a t e t h e p r o p a n d s u p p o r t r e s i s t a n c e . I n t h e l a s t ,t h e p r o c e s s o f m o v i n g s u p p o r t s i s d e p i c t e d,a n d s o m e a d v i c e i s g i v- e n f o r m e t h o d s o f m o v i n g s u p p o r t s i n d i f f e r e n t c o n d i t i o n s . K e y w o r d sb a c k f i l l w i t h s o l i d m a t e r i a l ;s i x c o l u m n s h y d r a u l i c s u p p o r t;f o r c e a n a l y s i s;m e t h o d s f o r m o v i n g s u p p o r t s 收稿日期2 0 1 0-1 2-2 7 基金项目国家自然科学基金面上项目 (5 1 0 7 4 1 6 5) ;国家自然科 学基金重点项目 (5 0 8 3 4 0 0 4) 作者简介徐俊明 (1 9 6 4-) ,男,山西太原人,中国矿业大学在 读博士,高级工程师,从事矿山采矿工程方面的研究与管理工作。 综合机械化固体充填采煤技术,是随着近些 年 “ 三下”采煤而发展起来的[ 1-3],即利用充填综 采设备把固体废弃物 ( 矸石、粉煤灰、黄土、风 积沙及建筑垃圾等)密实充入采煤工作面采空区 的一种技术[ 4]。其工作面关键设备,包括充填综采 液压支架和固体充填物料输送机。在这二者中, 充填综采液压支架起着顶板管理、隔离围岩维护 作业空间的作用,其适应性与可靠性是决定充填 开采工作面能否安全高效生产的关键因素之一[ 5]。 实践表明,采煤技术的进步与发展,是与采煤机 械化装备密切联系在一起的,每一次液压支架的 重大改革与进步,都会带来机械化采煤技术的重 大进步[ 6-7]。六柱支撑式固体充填采煤液压支架的 发展,也是固体充填采煤技术进步的显著标志。 1 固体充填采煤支架结构原理 1 . 1 支架功能与结构组成 充填采煤液压支架是综合机械化充填采煤工作 面主要装备之一,与采煤机、刮板输送机、充填开 采输送机、夯实机配套使用,起着管理顶板、隔离 中 国 矿 业第2 0卷 围岩维护作业空间的作用;与刮板输送机配套能自 行前移,推进采煤工作面连续作业。同时,又具有 对充入采空区的固体充填物料的压实作用,使充填 物料在推压接顶的基础上达到一定的密实度。 六柱支撑式固体充填采煤液压支架前端,掩 护综合机械化采煤作业,后部掩护充填作业。充 填开采输送机悬挂于支架后顶梁下,用于运输充 填料。压实机安装在支架底座上,对充填开采输 送机卸下的充填料进行夯实。主要由前、后顶梁、 立柱、四连杆机构、支架底座、压实机等构成, 如图1所示。 图1 六柱式固体充填采煤液压支架 1 . 2 支架结构特点 充填开采工作面,支架、煤壁与矸石充填体 ( 及破碎的直接顶)共同承载上覆岩层载荷,所需 的支护强度减小[ 8]。然而,充填综采要求工作面揭 露顶板至充填,顶板下沉量最小,以预留最大的 空间对采空区进行充填。根据使用矿井实测,充 填工作面采用与常规支架相同的支护阻力,监测 顶板初始最大下沉量达3 4 0 mm,由于其不可恢复 性,造成充填空间减小,大大影响了充填效果。 据此,六柱支撑式固体充填采煤液压支架,在 吸取了以往固体充填支架优点的同时[ 9],并根据实 际运用效果对其进行了改进,其主要特点叙述如下 ①增设后立柱,提高后顶梁支护阻力。考虑 到上述在实践中遇到的问题,小的支护阻力无法 很好地控制顶板初始下沉量,造成充填空间的减 小,不利于达到理想的充填效果。六柱支撑式充 填支架增设了后顶梁立柱,提高了后顶梁的支护 强度,保证了充填空间的最大化。②增加下部压 实机构,并提高压实力。研究表明,提高充填体 自身的密实度及充填率、接顶率等,可以极大地 控制上覆岩层的下沉变形。六柱式支架增设下部 压实机构,实现了对充入采空区的充填体的全断 面压实,使之能充分接顶,并且在较高压实力作 用下,提高充填体的密实度,增大其自身抗压性 能。③整体提高支架的支护阻力。一方面实施充 填工艺加大了支架的空范围;另一方面为保证支 架整体受力均衡,支架前后立柱支护阻力应在一 相当的范围;再者,支架阻力加大,有利于限制 上覆岩层整体下沉量,增大充填空间。 1 . 3 压实机构原理及特点 固体充填采煤技术直接采用固体物料充填采 空区,由于固体物料自身成松散状,通过充填输 送机卸落成自由堆放状态,具有较大的压缩量, 且无法充分接顶,不能对顶板起到很好的支撑作 用。因此,需研制与固体充填采煤技术相适应的 设备来保证充填效果。 压实机构在固体物料充填入采空区后,对物 料进行压实,使其达到一定的密实度,具有较小 的压缩量,控制顶板下沉量,从而将地面变形控 制在要求范围内。为实现全断面压实,压实机设 计分为上、下两部压实机。上部压实机对上部充 填物料进行压实,下部压实机对下部充填物料进 行压实,同时阻止充填物料进入支架工作空间。 压实机构如图1所示。 上部压实机由两个水平压实油缸、一个调高 油缸、一块压实板、两个立柱组成。下部压实机 由水平油缸、内箱体及外箱体三部分组成。 2 固体充填采煤支架与围岩相互作用及力学分析 2 . 1 支架与围岩作用关系 固体充填综采在充填支架的掩护下,前端割 煤、运煤,后端进行采空区充填,使得整个工作 面一直以开切眼的形式往前推进。实测表明,充 填开采后,老顶基本处于弯曲下沉状态,周期破 断步距增大,后部充填体在上覆岩层载荷作用下, 逐渐被压实,支撑顶板及上覆岩层的下沉移动, 如图2所示。 图2 支架与围岩作用模型 在此种开采方式下,整个采面上覆岩层中形 成的结构,是 “ 煤壁-支架-充填体”支撑体系,充 填体占据了上覆岩层下沉空间,有效控制了老顶 的破断及回转,极大地减弱了老顶破断回转对支 架造成的冲击载荷。与传统垮落法开采不同,充 201 第4期徐俊明,等六柱支撑式固体充填采煤液压支架结构及工作原理研究 填支架除需要平衡上覆岩层压力外,还要最大可 能地控制直接顶的下沉变形,以保证充填空间的 最大化,有利于向采空区尽可能多的充入充填物 料,达到控制上覆岩层的下沉变形。 2 . 2 支架与直接顶力学模型分析 充填开采形成了煤壁-支架-充填体,共同支撑 上覆岩层载荷。支架的作用是支撑直接顶不发生 离层,给顶板一个主动支撑作用。充填体在直接 顶下沉过程中逐渐被压实,其对顶板的支撑力是 一个逐渐增加的过程。根据支撑式液压支架的支 撑力特点[ 1 0],及六柱式支架结构特征,建立如图3 所示直接顶受力力学模型。 图3 支架及充填体与直接顶作用力学模型 图3中a、b分别为支架中间立柱到前、后顶 梁端的距离;q为支架作用直接顶最大集度;q 0’ 为支架后方直接顶作用给充填体的载荷; q’ 为充填 体作用直接顶最大集度。 支架后方直接顶上覆载荷等效作用,在C点一 个集中力F和弯矩M0,以C点分别建立各分力的 弯矩方程,并根据边界条件,即按最理想充填效果, C点绕度yc为零,利用莫尔积分计算其绕度 yC= ∑ 4 i=1∫ a+b 0 M(x)Mi(x)d x E I =0 计算支架对直接顶分布载荷最大集度 q=5(3q0a 3+8 a 2 F+9q0b a 2+1 2 a m0 +1 6a F b+9q0b 2 a+1 2m0b+8F b 2+3 q0b 3)/ ( 1 1a 3+2 4 b a 2+1 6 b 2 a+4b 3) 在支架与直接顶相互作用的体系中,支架与 直接顶相互是作用力与反作用力的关系。建立的 支架顶梁力学模型,如图4所示。 图4 六柱式支架顶梁力学模型 图4中A、B、D分别为立柱对顶梁的约束,立 柱支撑力的垂直分力,即为以上三处的支座反力FA、 FB、FD;l1、l2、l3、l4、l5为顶梁与立柱以及各立柱 之间的间距。该模型为多跨静定梁,从C点起计算 ∑MC = ( l4+l5) 3 q 6(l3+l4+l5) -FDl4=0 ∑F y=FD+FC- ( l4+l5) 2 q 2(l3+l4+l5)=0 再以B点分析计算 ∑MB = FAl2- 1 6 q(l1+l2) 2 + 1 6 q 1- l4+l5 l3+l4+l() 5 l3 () 2 + 1 2 q l 3 2 l4+l5 l3+l4+l5 +Fcl3=0 ∑F y=FA+FB-FC- 1 2 q(l1+l2) - 1 2 q 1+ l4+l5 l3+l4+l() 5 l3=0 根据上式,可以分别计算支架各立柱的垂直 分力以及支架整体支护阻力。 3 固体充填采煤支架移架过程及特征分析 3 . 1 支架在回采中的移动形态 工作面支架对顶板的支护,分为升架护顶、 降架、移架过程。六柱支撑式充填液压支架由六 根立柱支撑,升架过程如图5所示,分为前顶梁端 部与顶板接触 ( 位态Ⅰ) 、前顶梁与顶板接触 ( 位 态Ⅱ) 、后顶梁与顶板接触的过程 ( 位态Ⅲ) 。升 架过程中,前立柱和后立柱分别由两组液压阀控 制,前顶梁的梁端先与顶板接触,随着继续送液, 前顶梁逐渐与顶板接触,直至达到其初撑力;后 立柱是随着前立柱的升起而升起,必须与前立柱 配合送液,最后达到整架初撑力。 图5 升架过程示意图 在降立柱移架的过程中,由于与常规的双立 柱或四立柱相比,支架控顶范围大,不仅增加了 立柱的数量,而且在结构方面增设了后顶梁,因 此,移架操作方式具有多样性。研究表明,不卸 301 中 国 矿 业第2 0卷 载或部分卸载移架时有利于控制顶板,六柱式支 架移架时尽量采用此方法。①前顶梁带压移架。 在移架的过程中,后顶梁立柱完全卸载,前顶梁 降低其工作阻力,擦顶前移。②后顶梁带压移架。 支架前移时,前顶梁四立柱卸载降架,后顶梁立 柱降低工作阻力,保持与顶板接触,带压前移。 ③完全卸压移架。支架立柱完全卸载,在迁移千 斤顶的拉 力 作 用 下,前 后 顶 梁 不 接 触 顶 板 整 体 前移。 3 . 2 支架移动中结构受力特征 不同围岩条件,选择合理的移架方式,一方 面保证了作业空间安全,再者减小了移架阻力, 加快了移架速度。上述三种移架方式,第一种方 式,由于承受顶板载荷大,使得支架与岩层间摩 擦力增大,且在顶板不平时,可能发生支架插顶 现象,造成移架缓慢。支架受力分析如图6所示 F=(G+2 q L 1)λ,其中F千斤顶拉力;q为顶 板载荷;P为支架支撑力;f 1、f2为摩擦力;λ为 摩擦系数;G为支架重量;L 1支架顶梁长度。 图6 前顶梁带压移架受力 第二种方式,前顶梁完全卸载后,顶板岩层 载荷发生转移,老顶回转角加大,加剧了充填体 和支架后顶梁的受力。在移架过程中,支架将会 形成绕中立柱 A 点转动的扭矩,从而造成前立柱 受拉拔力,因而在实践中尽量减少此种移架方式。 其受力分析如图7所示N= q L 1λ(m+L2t a nα)/ L3,其中m为采高;α为支架前顶梁与顶板夹 角;L2、L 3支架立柱间距;N前立柱所受拉拔力; 其余与上相同。 第三种移架方式,是在顶板条件很稳定的情 况下采用,其前后顶梁完全卸载,基本不承受上 覆顶板岩层载荷,移架速度快。 4 结论 ( 1)六柱式充填支架设置的压实机构,可以 对充填物料施加侧向压实力,保证了充填体的密 实度和接顶效果;加设的后顶梁立柱,有效地控 图7 后顶梁带压移架受力 制了直接顶的初始下沉量,尽可能大地增加了充 填空间;支架整体工作阻力的增大,减缓了上覆 岩层的下沉,有利于控制地表沉陷变形。 ( 2)固体 充 填 采 煤形成了 “ 煤 壁-支架-充填 体”共同支护上覆岩层的支撑体系,并根据支撑 式液压支架支撑力特征,初步建立了支架与围岩 相互作用力学模型,简要分析了达到理想充填效 果时支架最大集度载荷和各立柱受力情况。 ( 3)六柱式充填支架升架采用从前至后的顺 序升立柱至顶梁接顶,移架方式分为前顶梁带压 移架、后顶梁带压移架和完全卸载移架三种方式。 其中,后顶梁带压移架方式会使前立柱产生拉拔 力,可能造成立柱的损坏;完全卸载移架方式不 利于顶板管理,只适合在顶板条件较好的情况下 采用。 参考文献 [1] 张吉雄,缪协兴,郭广礼.矸石 ( 固体废物)直接充填采 煤技术发展 现 状 [J].采 矿 与 安 全 工 程 学 报,2 0 0 9,2 6 (4) 3 9 5-4 0 1. 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