极薄煤层液压支架设计.pdf

极薄煤层液压支架设计 郭周克1， 2， 李永亮1， 杨鹏飞1 ， 李 峥1， 李文超1， 郭海龙1 1． 中国矿业大学 北京 资源与安全工程学院， 北京 100083;2． 冀中能源集团有限责任公司， 河北 邢台 054000 摘要 根据黄沙矿极薄煤层地质条件和液压支架设计原则， 应用模糊数学和最优化方法， 设计 出架型为 ZY3300/07/13 薄煤层 2 柱掩护式液压支架。详细介绍了支架架型的确定， 主要结构 形式的确定和支架的结构特点， 并对支架进行受力分析。 关键词 极薄煤层; 液压支架; 受力分析 中图分类号 TD355 ． 43文献标志码 B文章编号 1003 －496X 2013 04 －0143 －03 Hydraulic Support Design for Extremely Thin Coal Seam GUO Zhou － ke1， 2， LI Yong － liang1， YANG Peng － fei1， LI Zheng1， LI Wen － chao1， GUO Hai － long1 1． School of Resource ＆ Safety Engineering，China University of Mining ＆ Technology Beijing ， Beijing 100083， China; 2． Jizhong Energy Group Co． ， Ltd． ，Xingtai 054000， China Abstract According to extremely thin coal seam geological conditions and hydraulic support design principles in Huangsha Mine，the paper applies the fuzzy mathematics and the optimization to design the support type ZY3300/07/13 thin coal seam two － column hydraulic support． The determination of support type，the main of support structure and support structural features are introduced in detail，and stress analysis of stent is described． Key words extremely thin coal seam; hydraulic support; stress analysis 峰峰集团生产矿井极薄煤层储量 5 000 万 t 以 上， 目前处于呆滞状态。近几年采煤机械化装备以 及新技术、 新工艺的有了长足发展， 开采极薄煤层已 成为可能。为了提高煤炭资源的回收率， 延长矿井 服务时间， 研究适合极薄煤层开采的液压支架具有 重要意义。 1工作面地质条件 黄沙矿薄煤层首采工作面位于黄沙村村南， 申 家庄矿北部的丘陵地带， 地面最大标高 183 m， 最 小标高 148 m。工作面倾斜长度 50 m， 走向长度 902 m; 煤层直接顶板为4． 0 ～5． 0 m 浅灰色粉砂岩， 含少量植物根化石， 硬度 f 3． 0 左右; 底板为 3． 0 ～ 4． 0 m 灰色粉砂岩， 含大量植物根化石， 硬度 f 3． 0 左右。煤层倾角平均 23; 密度为 1． 65 t/m3。工作 面煤层厚度平均 0． 75 m。煤层厚度稳定， 结构复 杂， 煤质良好。切眼靠近运料巷处煤层局部薄化。 工作面可采储量71 438． 4 t， 据巷道实际揭露资料分 析， 工作面构造较为简单。 2液压支架设计 依据煤层顶底板条件和围岩类型及支架选型的 建议， 选用基本支架架型为二柱掩护式， 立柱双伸 缩， 电液操作方式。在液压支架的结构设计时， 考虑 了极薄煤层开采空间狭小的特点， 结合黄沙矿的地 质条件， 重点降低整体配套高度、 保证良好工作性 能， 满足三机配套技术要求。应用模糊数学和最优 化方法 ［1 ］， 开发出薄煤层液压支架总体结构参数的 模糊聚类分析和优化程序， 对液压支架进行优化设 计， 采用有限元方法对支架结构进行模拟试验分析， 应用参数可视化技术实现支架动态仿真， 最终确定 支架合理参数， 并建立了薄煤层液压支架 CAD 系 统。 2． 1架型确定 1 支架工作阻力。支架的支护能力取决于支 架的工作阻力， 工作阻力较大时有利于提高支架的 适应能力及可靠性， 考虑支架立柱缸径 230 mm 和 中心距 1 500 mm ， 在立柱安全阀合理开启压力范 围内， 支架名义工作阻力确定为3 300 kN 安全阀开 启压力 39． 7 MPa 。 2 支架中心距的确定。现液压支架中心距有 3 种 1． 75、 1． 5、 1． 25 m。本型液压支架按 1． 5 m 中心 距进行选取。 3 推移步距的确定。在顶板条件有利的情况 341 设计开发 2013 －04 下， 增大截深可提高每一循环的产量。但截深过大， 支架对靠近煤壁顶板的支护能力减弱。采煤机截深 确定为 0． 6 m， 支架移架步距为 0． 6 m。 4 顶梁前后比。顶梁前后比是立柱作用点到 顶梁前端长度与立柱作用点到顶梁后端长度之比 值， 直接影响支架顶梁载荷分布及支架承载能力。 顶梁前后比越大， 顶梁前端承载能力越小。顶梁前 后比过小时将严重影响支架前端支护能力， 造成支 架顶梁抬头， 移架困难， 甚至使支架丧失支护能力。 本支架顶梁前后比为 2． 6∶ 1，能够很好地满足支架 设计需要。 5 底座前端比压。底座前端比压大小受支架 顶梁合力作用点到底座前端的有效水平距离影响， 设计支架时应尽量加大底座前端长度， 使支架合力 作用点后移， 在满足其它条件前提下， 立柱倾角应尽 量小。采用大缸径平衡千斤顶， 增大平衡千斤顶拉 伸能力也可使支架合力作用点后移， 这也是一种减 小支架前端比压的有效方法。通过优化计算， 当摩 擦系数 f 0． 2 时支架前端最大比压为 1． 76 MPa。 2． 2液压支架主要结构形式确定 2． 2． 1顶梁结构形式 顶梁是支架的重要的结构件， 合理的顶梁结构 对支架支护效果有重要的影响。顶梁结构形式主要 有铰接分体顶梁、 整体刚性顶梁 2 种。 根据峰峰矿区生产技术条件， 本架型选用整体 刚性顶梁形式， 结构简单、 可靠， 支架前端支撑力大。 2． 2． 2底座形式及前端比压的确定 底座可使顶板压力传递到底板并稳定支架， 除 了满足一定的强度和刚度外， 底座要对起伏不平的 底板适应性强， 底座前端对底板接触比压要小， 它的 主要作用有 形成立柱、 液压控制装置、 推移装置及 其他辅助装置的安装空间; 为工作人员操作及行走 提供安全的工作空间; 保证支架的稳定和一定的排 放矸石的作用。 整体式和分体式是底座结构的 2 种形式， 整体 式底座是在底座左右 2 部分的前后， 分别设置前、 后 过桥。分体式底座由左右 2 部分组成， 对底板起伏 不平的适应性强， 排矸性能好， 但稳定性较差并且与 底板接触面积小。 该支架底座选择整体式， 底座的底板后部敞开， 这种形式具有整体式和分体式的优点， 具有很高的 强度和刚度， 并且对底板起伏不平的适应性强， 排矸 性能好。 受结构限制， 如果结构参数设计不合理， 支架底 座前端比压将较大， 造成支架前端扎底， 严重时影响 支架移动， 降低推进速度。底座前端比压大小受支 架四连杆参数的设计以及顶梁合力作用点到底座前 端的有效水平距离的直接影响。该设计通过优化计 算， 使得该支架的底座前端比压较小。本型支架在 工作状态， 当摩擦系数 f 0． 2 时支架前端最大比压 为 1． 76 MPa。 2． 3液压支架结构特点 经计算机优选和对支架参数化、 可视化、 动态受 力分析， 选定架型为 ZY3300/07/13 薄煤层两柱掩 护式液压支架， 其有以下特点 1 采用先进的计算机模拟试验和优化程序对 液压支架参数进行优化设计， 两柱掩护式液压支架， 抗扭能力大， 稳定性好。 2 支架采用电液控制， 技术先进， 安全可靠， 支 护、 推溜、 移架系统完善。 3 整体刚性顶梁结构， 支架前部顶板的支撑效 果好， 不设活动侧护板， 通风断面大; 为尽可能少漏 矸， 加大顶梁宽度到 1 450 mm。 4 顶梁较短， 控顶距小从而减小了顶板反复支 撑次数， 减弱了对直接顶的破坏。 5 前后连杆采用双连杆结构， 结构件为高强度 钢板， 保证有足够的强度。 6 底封式刚性底座， 推移机构可顺利排出浮 煤。 7 短推杆机构推移， 拆装方便、 结构可靠、 移架 力大， 移架快速。 8 平衡千斤顶为 125 mm 缸径千斤顶， 可使平 衡千斤顶对顶梁合力作用点的调节范围变大， 支架 受力稳定性较好， 能自动适应顶板压力变化。 9 采用大流量电液控制系统， 提高降、 移、 升速 度。 10 销轴采用 30CrMnTi 棒材， 销轴、 导杆均要 镀锌、 热处理。 2． 4支架参数 支架主要技术参数见表 1。 3液压支架受力分析 该液压支架应用参数化可视化动态仿真进行优 化设计， 同时采用有限元方法对支架结构进行模拟 试验分析， 支架受力分析 ［2 －3 ］如图 1 ～ 图 4。 煤 层 底 板 抗 压 强 度 为 3 MPa 左 右， 大 于 ZY3300/07/13 型两柱掩护式液压支架的底板最大 比压 1． 799 MPa; 顶板压力 0． 28 ～0． 35 MPa 小于支 441 第 44 卷第 4 期设计开发 表 1支架主要技术参数 项目参数项目参数 支架高度/mm 700 ～ 1 300 立柱柱径/mm220/160 支架中心矩/mm1 500 立柱行程/mm444 支架宽度/mm1 450 立柱初撑力/kN1 309 支架初撑力/kN2 618 立柱工作阻力/kN1 650 支架工作阻力/kN3 300推移千斤顶型式 差动 支架支护强度/MPa 0． 42 ～ 0． 48 f 0．2 推移千斤顶推力/kN178 支架底板比压/MPa 1． 74 ～ 1． 76 推移千斤顶拉力/kN207 泵站压力/MPa31． 5 推移千斤顶缸径/mm125 支架操纵方式电液控制 推移千斤顶 柱径/mm 85 立柱型式双伸缩 推移千斤顶 行程/mm 700 立柱缸径/mm230/180 图 1ZY3300/07/13 型两柱掩护式液压支架梁端距 分布曲线图 图 2ZY3300/07/13 型两柱掩护式液压支架支护强度 分布曲线图 架的支护强度 0． 42 ～0． 48 MPa， 工作阻力 3 300 kN 能够满足支护顶板的要求， 各主要参数均较理想。 因此该型支架适用于该煤层。 4工业性试验 薄煤层首采工作面主要配套设备［4 ］ ZY3300/ 图 3ZY3300/07/13 型两柱掩护式液压支架底座接地 比压分布曲线图 图 4 ZY3300/07/13 型两柱掩护式液压支架 顶梁作用力分布曲线图 07/13 型掩护支架， MG160/360 － WD 电牵引采煤 机， SGZ630/220 可弯曲刮板输送机。工作面初采长 度为 50 m， 共安装支架 31 架， 工作面平均日进达到 10 m， 日产原煤720 t， 最高日进17 m， 日产原煤达到 1 224 t。最高月产可达36 720 t， 具备年产40 万 t 的 生产能力。 工作面支架电液控操作系统［5 ］设置了支架测 压装置、 功能， 对支架初撑力和工作阻力实施随时监 测。工作面的初次垮落步距为 25 ～30 m， 工作面初 次来压强度为 25 MPa。由矿压观测数据可知本工 作面周期来压不太明显， 顶底板移近量为 80 ～ 100 mm， 采空区顶板全部垮落。工作面周期来压强度最 大 35 MPa， 最小 19 MPa， 平均为 27 MPa。工作面周 期来压步距 8 ～12 m。工作面支架最大工作阻力为 35 MPa/架， 支架最大工作阻力平均为 27 MPa/架。 3 个月试用期间现场观测立柱工作压力为 19 ～ 35 MPa， 是额定值的 47． 8 ～88． 2， 满足要求。由现 场试验可知各项参数均在合理范围内。 5结论 极薄煤层开采使用液压支架， 改善了工作面的 下转第 149 页 541 设计开发 2013 －04 图 5第 5 次探测视电阻率拟断面图 3 进行其他 3 次物探后， 掘进过程中均无出 水， 验证结果与探测结果基本吻合， 应用效果良好。 3结语 1 瞬变电磁法在巷道前方老空水探测中， 应用 效果明显， 分辨率高， 具有施工方便、 效率高等特点。 2 与井下直流电法、 地震等物探方法相比， 矿 井瞬变电磁法为非接触式探测技术， 因此不受耦合 条件的影响， 适应性广， 施工效率高， 比地面瞬变电 磁更高的分辨率、 体积效应小、 旁侧影响小、 测量速 度快和轻便等优点。 3 瞬变电磁探测是基于水害体与地下煤岩介 质存在电性差异来解决井下水害的一种物探方法。 由于不同区域地质条件不同， 地下煤岩层的电阻率 也表现不同特征， 因此在探测次数较少， 地质经验欠 缺的区域探测结果可能一定的误差。生产单位在生 产中宜采用物探与钻探结合的方法， 通过探掘对比， 修正关键物理参数， 总结相关经验， 以此排除物探多 解性， 提高探测的准确率。 参考文献 ［ 1］ 蒋邦远． 瞬变电磁勘探［ M］ ． 北京 地质出版社， 1998． ［ 2］ 刘树才， 岳建华， 刘志新． 煤矿水文物探技术与应用 ［ M］ ． 徐州 中国矿业大学出版社， 2006． ［ 3］ 张保祥， 刘春华． 瞬变电磁法在地下水勘查中的应用 综述［ J］ ． 地球物理学报， 2004， 19 3 537 －542． 作者简介 许福美 1965 － ， 男， 福建莆田人， 教授， 1989 年毕业于中国矿业大学， 现在龙岩学院资源工程系从 事煤田地质与矿井水文地质的教学与科研工作， 发表论文 20 余篇， 其中 EI 收录 1 篇。 收稿日期2012 －07 －31; 责任编辑 王福厚 檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼 上接第 145 页 作业环境， 降低了工人的劳动强度， 提高了工作效 率; 在很大程度上解决了部分极薄煤层呆滞煤量开 采难题， 提高了资源利用率， 为极薄煤层综采在装备 配套及开采工艺方面上提供有效途径和方法， 以便 在国内极薄煤层开采中推广使用。该型支架在合适 的矿区推广应用可带来巨大的经济效益。 参考文献 ［ 1］ 董文永， 刘进． 最优化技术与数学建模［M］ ． 北京 清 华大学出版社， 2010． ［ 2］ 王国法． 高效综合机械化采煤成套装备技术［M］ ． 徐 州 中国矿业大学出版社， 2008． ［ 3］ 钱鸣高， 石平五． 矿山压力与岩层控制［M］ ． 徐州 中 国矿业大学出版社， 2003． ［ 4］ 谢德瑜． 峰峰集团黄沙矿薄煤层液压支架的设计与配 套［ J］ ． 煤矿开采， 2011 10 59 －60． ［ 5］王锦， 许艳玲． ZZS6000/17/37 型液压支架的设计研究 ［ J］ ． 煤， 1998 2 35 －36， 64． 作者简介 郭周克 1958 － ， 男， 河北人， 高级工程师， 现任冀中能源集团有限责任公司副董事长， 在读博士研究 生， 研究方向为资源开发新技术。 收稿日期2012 －07 －18; 责任编辑 梁绍权 941 应用实践 2013 －04