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第 36卷第 11期煤 炭 科 学 技 术 Vol 136 No 111 2008年11月 COAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Nov . 2008 淮北矿区三软合并煤层大采高液压支架设计 孟庆坤 1, 李明忠 2 , 3, 胡万昌2 , 3 11淮北矿业集团 有限责任公司 生产管理部, 安徽 淮北 235000 ; 21天地科技股份有限公司 开采设计事业部, 北京 100013 ;31煤炭科学研究总院 开采设计研究分院, 北京 100013 摘 要 介绍淮北矿区三软合并煤层赋存条件开采工艺及液压支架选型, 针对矿区煤层赋存特点, 提出大采高一次采全高的开采方式,针对三软合并煤层的特性对大采高综采液压支架的支护强度、 护帮机构、稳定性以及底板比压等问题进行了改进, 在三软合并煤层上实现了大采高开采。 关键词 煤矿开采;三软合并层; 大采高; 液压支架 中图分类号TD35513 文献标志码A 文章编号0253- 2336 2008 11- 0072- 04 Design and research on high cutting hydraulic powered support for sea m with soft roof ,soft coal and soft floor in HuaibeiM ining Area MENG Qing -kun 1, LIM ing-zhong 2, 3, HUW an -chang2 , 3 1 .Depart ment of ProductionM anage ment, H uaibeiCoalM ining Group Corporation Ltd. , Huaibei 235000 , China; 2 . M ining and DesignD epart ment, Tiandi Science and T echnology Company Ltd. , Beijing 100013, China; 3 . M ining and Design Branch, China CoalResearch Institute , Beijing 100013, China Abstract the paper introduced them ining technology and the hydraulic powered support applied to sea m with soft roo, f soft coaland soft floor inHuaibeiM ining Area . A ccording to the sea m features of them ining area , the paper provided an one pass full sea m mining w ith high cutting height . According to the existing features of the / three soft0 sea m in them ining area ,a study and i mprovement were conducted on the support strength,coalwall protectedmechanis m,stability ,floor specific pressure and other key issues of the hydraulic po wered supports in the fully mechanized coalm ining face . A high cutting m ining was operated in the / three soft0 sea m. K ey words coalm ining ;m ining in sea m with soft roo, fsoft coal and soft floor ;high cutting height ;hydraulic powered support 1 矿井基本情况 淮北部分矿区的 71煤和 72煤合并层为典型的 三软煤层,其地质条件如下71煤和 72煤合并层, 煤层总厚 3175 6188m,平均 419m。其中 71煤厚 016 213m, 一般 112 118m,平均 114 m,普氏 系数 f 1 2 ,71煤层瓦斯含量相对较低;72煤厚 013 411m, 一般 211 218 m,平均 214 m,f 1 ,72煤层为瓦斯突出煤层;71煤和 72煤间距 014 119m,一般 015 112 m,平均 111 m,夹层多为 碎状泥岩,结构松散, 少数为粉砂岩。煤层倾角 5 16b , 平均 8b 。 71煤层直接顶为 018 312 m 的泥岩, 泥岩垂 直裂隙发育; 基本顶为 114 1218 m的厚层块状结 构中细粒砂岩。 72煤层底板多为 018 318 m 的泥 岩, 胶结松散,遇水泥化。基本底为厚 212 1317 m 的薄 - 中厚层块状结构粉细砂岩,局部为厚 1218m 的砂泥岩互层。 2 开采方法选择 由于 71煤与 72煤层两层煤之间的夹矸层较薄 且多为碎状泥岩, 且两层煤厚度变化都比较大, 不 适宜分层开采。若采用放顶煤开采,71煤硬度较 72 煤层大, 且两层煤之间有夹矸层, 导致后部放下的 煤及夹矸块度较大,易堵住放煤口,无法运输, 且 72煤层为瓦斯突出煤层, 容易瓦斯超标, 影响工作 面安全。根据我国现行采煤发展水平, 包括采煤设 备、运输设备、矿井提升能力及现代化装备水平, 经反复论证, 决定对 71煤和 72煤合并层采用大采 高一次采全高的开采方式, 但随着采高的加大, 也 带来了一系列不利因素, 如工作面顶板压力加大、 煤壁片帮严重、支架稳定性和底板较软等问题。 72 孟庆坤等 淮北矿区三软合并煤层大采高液压支架设计2008年第 11期 3 71与 72煤合并层开采面临的主要问题及 解决措施 311 煤壁片帮问题及顶板管理措施 开采三软合并煤层的技术关键是顶板管理问 题, 它要求采场支护既能及时护煤帮, 又能具备良 好的封顶能力。否则,煤壁严重片帮、梁端距增 大, 造成端面冒顶,导致顶板管理失控。从支撑顶 板的要求出发,对于三软煤层, 所需要的支架工作 阻力并不大, 但是提高支架工作阻力可控制顶板裂 隙和错动,缓解煤壁压力, 减缓甚至消除煤壁片帮 和端面冒漏。而煤壁的片帮程度反映了工作面煤壁 的受力及承载状态,通过对工作面前方煤壁塑性区 进行详细研究分析,得出影响煤壁平衡所需支护强 度 Q的因素包括采高 M、埋深 H、应力集中系数 K、内摩擦角 U 、黏聚力 c以及塑性区宽度 L。 表 1 影响煤壁支护阻力因素敏感度分析 参数变化 L /mH /mKU/ bc/M Pa 影响结果 Q /M Pa比例 / 1105002 103001501310 70 1125002 103001501030 0090100 1106002 103001501419 5035100 1105002 143001501409 9531194 1105002 102701511070 00244100 1105002 103001601260 0016130 由表 1可知,煤体的内摩擦角对维持煤壁平衡 所需的支护阻力影响最大。所以在煤质疏松的工作 面进行大采高开采时, 需要提高支架的工作阻力来 维持煤壁的受力平衡,而且通过采用擦顶移架措 施, 可避免与支架接触的顶板层进一步破碎,维持 顶板的完整性。其次为煤层开采高度的影响,开采 高度越大,影响煤壁平衡所需支护阻力越大,同时 在工作面片帮难以控制时, 适当降低工作面开采高 度, 可以明显缓解工作面片帮的影响。为此通过提 高工作阻力、采用加大端部顶板支护能力的整体顶 梁结构以及伸缩梁带两级折叠式防片帮装置图 1, 可以更有效地支撑顶板和护住煤壁,预防煤 壁片帮的发生。 312 支架稳定性措施 现场观测表明,影响支架稳定性的主要因素, 除工作面条件和管理水平外,还包括支架四连杆机 构销孔间隙、支架中心距和工作面横向倾角等。 图 1 支架护帮板结构 31211 支架四连杆机构销孔间隙 1 减小四连杆机构销孔间隙,可以有效减小 顶梁的偏摆量,提高支架的稳定性。 如图 2所示,支架铰接部件间由于销轴配合间 隙引起部件间的最大歪斜角 A为 A B C arctan D - d B arctan D - d b 图 2 销轴配合关系 式中 d 销轴直径; D 孔直径; B 包容耳板宽度; b 被包容耳板宽度。 根据计算,当销轴配合间隙为 115 mm 时, 采 高 515 m时的顶梁最大偏摆量可达到 136 mm, 当 间隙设计为 019mm 时,最大偏摆量可降到 75 mm 以内。为此, 需要提高孔轴的公差等级,以保证四 连杆机构的销孔间隙在 019 mm之内。 2 控制铰接处的横向配合间隙,保证四连杆 机构连接处的横向间隙为 6 10 mm,也可以有效 减小顶梁的偏摆量,提高支架的稳定性。 73 2008年第 11期煤 炭 科 学 技 术第 36卷 31212 支架中心距 支架越宽,支架的稳定性越好,将支架的中心 距设计为 1 750mm,底座宽度达到 1 630 mm。 31213 工作面横向倾角 1 支架下滑在有倾角的工作面,支架在非 支撑状态下有下滑的可能。工作面煤层倾角 5 16b ,平均 8b ,一般不使用辅助防滑装置,但作为 备用措施在机头处设置防滑装置 图 3。 图 3 支架防滑装置示意 2 支架倾倒当支架处于正常支护状态时, 由于支架支撑力的作用,支架与顶、底板间的摩擦 阻力较大,一般不发生支架倾倒。而当移架或顶板 冒空时, 则可能出现下滑。如图 4所示,支架在支 撑顶板时,对底座下侧边缘的临界倾倒力矩MD为 MD HgG sin A- 1 2 BwG cos A- 1 2 BwR1- Hf2R2- RsH 图 4 支架临界倾倒状态受力 式中 G 支架重力; Hg 支架重心高度; H 采高; Bw 底座宽度; R2 顶板与支架顶梁间的正压力; Rs 邻架对顶梁的作用力; f2 支架顶梁与顶板间的摩擦因数; R1 底板对底座的支撑力,支架处于临界 倾倒状态时 R1 0。 根据上式可以计算出支架空载时不发生倾倒的 临界角为 16b 。由于采高较大,工作面可能出现局 部倾角较大,故设置防倒装置图 5。另外, 在 支架顶梁上设计了有足够支撑力的弹簧,最大弹出 力达到 16 kN,同时,增大支架侧推千斤顶的缸 径, 提高了支架的抗倾倒能力。 图 5 支架防倒装置示意 313 软底板问题解决措施 72煤层底板多为泥岩,胶结松散,遇水泥化。 通过以下措施,有效解决了底板较软、底座易扎底 现象的发生。 1 合理确定支架结构参数, 通过控制底座支 反力在底座上作用点位置, 以及顶梁上合力作用点 的位置来减少底座前端比压。 2 底座前端尽量加长加宽, 以减少底座前端 比压。 3 设置抬底装置, 当出现扎底现象时,将底 座前端抬起, 保证顺利移架。 4 采用大缸径推移千斤顶, 提高移架能力。 4 工作面支架主要技术参数及结构特点 411 支架主要技术参数 在分析国内外先进设计理念的基础上, 根据淮 北矿区发展规划, 结合煤层赋存的条件,确定工作 面支架图 6 参数如下 架型两柱掩护式 工作阻力 /kN10 000 高度 /mm2 600 5 600 中心距 /mm1 750 宽度 /mm1 660 1 860 初撑力 /kN7 912 支护强度 /MPa1113 1119 74 孟庆坤等 淮北矿区三软合并煤层大采高液压支架设计2008年第 11期 底板比压前端 /M Pa2143 4119 泵站压力 /MPa3115 操纵方式手动控制 图 6 ZY10000/26/56两柱掩护式大采高液压支架 412 液压支架的主要特点 1 顶梁为整体式 前端上翘, 缩短了第一 接顶点到煤壁的距离, 有利于顶板地控制, 减少片 帮发生的可能; 结构简单,端部承载能力大, 可以有效的控制顶板,减小片帮; 配置双向活 动侧护板,延伸至顶梁前部,防漏矸效果好,同时 提高了支架稳定性。 2 顶梁前端设置内伸式伸缩梁带两级折叠式 护帮机构护帮板能够向上挑平和完全收回,其最 大护帮高度可达 213m; 护帮板采用四连杆结构形 式, 不但能保证伸出和收回均能达到预定的角度, 且挑起力较大。 3 支架四连杆机构后连杆为整体 H 形连 杆, 前连杆为双单连杆, 增大了支架的抗弯抗扭能 力, 提高了支架的稳定性。 4 采用倒置推移千斤顶加长推杆的设计 推移千斤顶缸径为 180 mm,移架力达 802 k N; 移架时有向上垂直分力 80 kN,有利于支架前移; 推移机构采用一节长框架结构,结构简单, 刚 性好,有较好的防下滑功能。 5 抬底千斤顶采用耳轴式结构,便于安装和 拆卸。抬架力为 485 kN,便于移架。 6 顶梁与掩护梁铰接处采用圆弧式配合与潜 入式结合的结构设计, 可以有效地防止破碎矸石漏 入支架内。 5 结 论 实践证明,在淮北矿区三软合并层进行大采高 综合机械化采煤是可行的, 工作面采取的技术措施 科学合理,能够确保支护的稳定性,有效地解决了 三软合并层开采中的技术难题,实现了高产高效, 满足了工作面安全生产的需要。 参考文献 [ 1] 王国法 1 液压支架技术[M ]. 北京 煤炭工业出版社, 1999 . 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