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第 27 卷 第 4期 2010 年 12 月 采矿与安全工程学报 Journal of Mining 煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放基金项目 07KF09 作者简介 杨培举 1977 - , 男, 山东省嘉祥县人, 博士, 从事矿山压力与岩层控制等方面的研究. E -mail ypeiju126. com Tel 0516 -83883942 文章编号 1673 -33632010 04 -0512 -05 两柱掩护式综放支架的承载规律及工艺研究 杨培举1, 刘长友1, 金 太2 1. 中国矿业大学 矿业工程学院, 煤炭资源与安全开采国家重点实验室, 江苏 徐州 221116; 2. 兖州煤业股份有限公司, 山东 邹城 273500 摘要 为研究两柱掩护式综放支架对放顶煤工作面生产条件的适应性, 采用现场实测方法分析了 支架工作阻力的循环变化规律、 工作面端面顶板的控制效果以及支架的工艺性能. 结果表明 与 四柱式支架相比, 两柱掩护式支架工作阻力的循环以增阻为主, 支撑效率大幅提高. 通过平衡千 斤顶的推力作用, 可以保持支架位态的稳定, 提供更高的工作阻力和水平初撑力, 得了比四柱式 支架更好的端面控顶效果. 两柱式支架的控制结构简单, 后部放煤空间大, 提高了移架速度和放 煤速度, 为进一步提高工作面的生产效率创造了条件. 关键词 放顶煤开采; 两柱掩护式综放支架; 端面控顶; 工作阻力; 放煤工艺 中图分类号 TD 323 文献标识码 A Research on the Load Variation Laws and Technologic Effect of Two -Leg Sublevel Caving Shield Support YANG Pe- i ju1, LIU Chang - you1, JIN T ai2 1. School of Mines, State Key Laboratory of Coal Resources and M ine Safety, China University of Mining 2. Yanzhou Mining Group, Zoucheng, Shandong 273500, China Abstract In order to research the adaptability of two -leg sublevel caving shield support to pro - duction condition of fully mechanized top coal caving working face, the cyclic variation laws of support working resistance, control effects on the roof in tip -to -face area,and technologic property of supports were analyzed by field observation. The result shows that, compared with a four -leg sublevel caving chock -shield support, the working resistance of two -leg sublevel ca - ving shield support kept increasing mainly in a working cyclic process, and the support efficien - cy enhanced. T he stability of support state was kept and a larger working resistance and hor- i zontal resistance were provided under the thrust of the equilibrium jack, achieving better con - trolling effect in tip -to -face area. The structure of two -leg sublevel caving shield support is sim - pler and the top coal caving space larger, which can speed up the advance rate of support mov - ing and top coal caving. T hese provide some conditions to increase the production efficiency of fully mechanized sublevel caving working face. Key words top coal caving; two -leg sublevel caving shield support; top coal in tip -to -face area; working resistance; top coal caving technology 近 30 a 来, 综采放顶煤技术一直是实现厚及 特厚煤层机械化开采的主要方法1 -3]. 当前, 我国综 采放顶煤工作面装备开始向大型化、 自动化和信息 化的方向发展, 其中, 综放液压支架的发展是技术 第 4 期杨培举等 两柱掩护式综放支架的承载规律及工艺研究 关键 [ 4 -7] . 两柱掩护式综放液压支架是在总结现有综采 放顶煤技术存在问题的基础上, 为建设自动化综放 面要求而设计的新型液压支架. 该架型具有结构简 单、 便于电液控制和操作速度快等优点. 为检验其 对放顶煤工作面围岩活动规律的适应性及综放工 艺效果, 首先在兖矿集团兴隆庄煤矿进行了井下试 验. 研究结果为该架型的进一步完善和推广应用提 供依据. 1 两柱式综放支架试验条件 1. 1 试验工作面概况 试验工作面埋藏深度 238. 03 193. 22 m. 工 作面倾斜长 176 m, 走向长 667 m. 工作面所采煤 层为下二叠统山西组底部的 3下煤, 煤层产状平 缓, 裂隙发育, 结构复杂; 煤厚 5. 85 9. 40 m, 加权 平均厚 8. 2 m, 属特厚煤层. 煤层为近水平煤层, 煤 层倾角为 4b 9b. 煤层硬度系数 f 2. 3. 煤层顶底 板状况见表 1. 表 1 试验工作面煤层顶底板特征 Table 1 Characteristics of roof and floor in test face 顶底板名称岩性厚度/ m 基本顶中砂岩13. 1 直接顶 细砂岩 粉砂岩 4. 6 5. 3 伪顶泥岩0. 6 伪底泥岩0. 8 直接底粉砂岩5. 6 老底中砂岩10. 4 工作面采用走向长壁综采放顶煤一次采全高 全部垮落采煤法, 采高 3. 0 m, 放高 5. 2 m, 工作面 回收率 80 . 1. 2 工作面支架布置方式 为便于和四柱支撑掩护式综放支架进行对比 分析, 在工作面中下部布置了 30 架 ZFY6800/ 18. 5/ 35 型两柱掩护式综放支架, 在其上、 下分别布置 68 架和 15 架 ZFS6200/ 18/ 35 型四柱支撑掩护式 液压支架. 在工作面上下端头均布置 3 架 ZTF6500/ 19/ 32 型排头支架. 2 两柱式综放支架支护阻力及控顶效果 2. 1 支架工作阻力的循环变化规律 液压支架支护阻力的发挥受支架结构及其对 围岩活动规律适应性的制约[ 8 -9], 实测两柱式和四 柱式液压支架立柱压力在工作面循环推进中的变 化过程, 见图 1 所示. 图 1 支架立柱压力的循环变化规律 Fig. 1 Cycling variation of support prop pressure 由图 1 可知 1 两柱掩护式综放支架工作阻力在回采循环 过程中, 一般呈增阻或初撑状态; 2 四柱支撑掩护式综放支架前后立柱的工作 阻力在回采循环过程中变化不同, 一般前柱呈增阻 和初撑状态, 而后柱则呈降阻状态, 有时后柱压力 为 0, 即后柱无压力; 3 四柱支撑掩护式放顶煤支架前后立柱的受 力不均, 降低了支架的支撑效率. 两者相比较, 两柱 掩护式放顶煤支架更有利支架支撑能力的发挥. 2. 2 放煤移架工序对支架工作阻力的影响 现场实测了放煤、 移架工序对两柱掩护式综放 支架立柱阻力的影响. 根据对立柱阻力的观测结 果, 放煤前, 支架工作阻力平均 2 200. 9 kN, 最大 3 858. 2 kN; 放煤后, 工作阻力平均 1 955. 9 kN, 最大 2 732. 9 kN, 和放煤前相比, 支架工作阻力平 均值减小了 1 245 kN; 移架后, 工作阻力平均 1 674. 5 kN, 最大 3 536. 6 kN/ 架. 可见, 支架移架 升起后到放煤前立柱阻力一般处于增阻状态, 平均 增长 526. 4 kN, 而放煤工序造成支架上方顶煤松 散冒落则会降低顶梁上的顶板压力, 支架立柱阻力 在放煤后则存在一快速的降阻过程, 之后, 随着上 覆岩层压力的逐步增加会呈现缓慢的增阻状态. 2. 3 支架平衡千斤顶阻力变化规律 平衡千斤顶前腔工作阻力在移架过程中最大, 随后阻力一直处于下降过程, 直至下降为零. 而后 腔在移架期间阻力最小, 之后则一直处于增阻状 513 采矿与安全工程学报第 27 卷 态. 在整个回采循环内, 平衡千斤顶主要处于受压 状态, 顶煤的活动使平衡千斤顶推力处于不断增大 过程. 对平衡千斤顶阻力的实测, 结果如表 2 所示. 表 2 平衡千斤顶工作阻力 Table 2 Working resistance of quihbbrium jack 工序 前腔阻力/ kN 平均最大 后腔阻力/ kN 平均最大 放煤前243. 5560. 11572. 11246. 0 放煤后53. 0200. 41385. 91907. 1 移架后573. 41036. 0606. 01627. 4 2. 4 支架支护阻力的分布规律 工作面支架采用同一泵站供液, 泵站压力 31. 5 MPa. 受供液管路压力损失、 顶板状态及操作 质量等因素的影响, 实测两柱式支架初撑力平均 3 175. 1 kN, 占额定初撑力的 57. 7, 四柱式支架 初撑力平均为 3 062. 4 kN, 占支架额定初撑力的 58. 9. 支架初撑力相近, 但受架型适应性的影响, 其 循环变化规律相差较大, 导致末阻力有较大不同. 根据实测统计结果, 两柱式支架循环末阻力平均 5 355. 6 kN, 占额定工作阻力的 78. 8 , 比四柱支 掩式 支架提高了 48. 4 ; 时间 加权阻 力平均 4 588. 6 kN, 占额定工作阻力的 67. 5 , 比四柱支 掩式支架提高了 49 . 图 2 为统计得到的工作面 两种支架末阻力分布情况. 图 2 支架末阻力分布 Fig. 2 Support end resistance distribution 由图 2 可知, 对于两柱式支架, 支架末阻力分 布主要在大于额定阻力 60 的范围内, 其中大于 额定工作阻力 80以上的比例为 34. 98; 相比之 下, 四柱式支架阻力主要分布在大于额定工作阻力 40 80 范围内, 大于额定工作阻力 80 的比 例分别为 14. 29. 2. 5 支架的端面控顶效果 综采工作面, 尤其是综放工作面, 端面冒顶一 直是顶板管理的重点和难点, 也是决定两柱掩护式 综放支架适应性的关键 [ 10 -13] . 根据规程规定要求工作面端面距不大于 300 mm, 实测实际端面距 两柱式支架区平均为 324 mm, 四柱式支架区平均为 318 mm, 两值相近. 实 测统计工作面端面冒顶高度的分布如图 3 所示. 图 3 工作面冒顶高度分布 Fig. 3 Roof falling height distribution in tip -to -face area 工作面冒顶高度主要分布在小于 600 mm 的 范围内, 所占比例为 85. 7. 冒高小于 600 mm 时 工作面端面冒顶对生产影响较小, 不需要专门处 理; 冒高在 600 900 mm 的端面冒顶所占比例为 11. 6, 只需加强对支架初撑力的监测, 保证支架 顶梁不要出现过大的抬头, 就可控制冒顶的进一步 发展, 并逐步改善端面顶煤的稳定性; 端面冒高大 于 900 mm 时一般需要用木料刹顶, 再升柱使其严 密接顶, 该情况的比例仅占 2. 7. 图 4 为两柱掩护式综放支架控顶区顶板破碎 度的统计分布. 图 4 端面顶板破碎度分布 Fig. 4 Fragmentation degree distribution in tip -to -face area 由图 4 可知, 端面顶板破碎度主要分布在 2 6的范围. 对工作面冒顶区顶板破碎度的统计 表明, 工作面端面顶板破碎度最大 14. 8, 最小 0. 4, 平均 2. 51, 而同期统计四柱支撑掩护式 支架控顶区端面顶板破碎度平均值为 2. 96 . 现 场实践表明, 对工作面生产影响较大的是局部冒顶 514 第 4 期杨培举等 两柱掩护式综放支架的承载规律及工艺研究 高度, 即使顶板破碎度较大时, 冒顶高度普遍较小, 则对生产影响不大. 3 两柱式综放支架的工艺效果 3. 1 支架移架时间 工作面液压支架的移架速度要适应采煤机的 割煤速度, 同样供液条件下, 单架移架时间是液压 支架的重要工艺性能, 可提高工作面的产量和效 率, 并且可通过有效的跟机移架, 减少端面的暴露 时间, 提高综采 放 工作面的控顶效果. 试验期间对两柱式支架移架时间进行了测试, 并与四柱式支架进行了对比, 结果如表 3 所示. 表 3 支架移架时间统计结果 Table 3 Statistic result of advancing support time 时间 两柱掩护式支架 ZFY6800/ 18. 5/ 35 降移升总计 四柱支撑掩护式支架 ZFS6200/18/ 35 降移升总计 两柱式比四柱式 移架时间缩短/ 平均时间/ s4. 17. 25. 216. 56. 96. 75. 725. 234. 5 最快时间/ s3. 14. 23. 811. 14. 47. 14. 115. 628. 8 由统计结果可知, 单组运行移架时, 两柱式支 架移架时间平均 16. 5 s, 最小 11. 1 s, 四柱式支架 平均 25. 2 s, 最小 15. 6 s. 两柱式支架平均与最小 时间移架时间比四柱式支架分别缩短了 34. 5和 28. 8. 采用电液程序自动顺序移架时, 两柱式支架移 架速度平均 11. 3 s, 最快 8. 3 s. 3. 2 支架放煤时间 两柱掩护式综放支架采用单排立柱, 有利于设 计更大的后部放煤空间. 试验支架设计的后部过煤 高度为 1 120 mm, 顶煤冒放速度提高, 冒落也更充 分. 工作面放煤方式采用一刀一放, 放煤步距 0. 8 m, 采用分段两轮顺序放煤. 各轮放煤时间分布见 图 5 所示. 图 5 各轮放煤时间分布 Fig. 5 Top coal caving time distribution of support in every cycle 第 1 轮放煤最大放煤时间为 134 s, 最小放煤 时间为 5 s, 平均为 21. 4 s. 从实测第 1 轮放煤时间 分布来看, 主要集中在 15 25 s, 占到了 62. 8 , 如图 5a 所示. 第 2 轮放煤最大放煤时间为 220 s, 最小为 6s, 平均为 24. 4 s. 其分布形式比较分散, 如图 5b 所示. 由于第 1 轮时间主要由人为控制, 时 间相对集中, 而第 2 轮则受顶煤的冒放性制约. 两柱式支架整架放煤时间分布近似呈正态分 布, 主要集中在 30 60 s 的范围内, 占 71. 3 , 如 图 6 所示. 图 6 单架放煤时间分布 Fig. 6 Top coal caving time distribution of support 统计两柱式支架单架放煤时间最长为 235 s, 最短为 17 s, 平均为 44. 8 s. 而四柱支撑掩护式支 架最长为 196 s, 最短为 12 s, 平均为 49. 7 s. 两柱 式支架的放煤时间较四柱式平均缩短了近 10. 4 结 论 1 与四柱支撑掩护式综放支架相比, 两柱掩 护式综放支架的工作阻力循环变化主要呈增阻状 态, 支架支撑效率高, 有利于发挥其支撑能力. 2 两柱掩护式综放支架平衡千斤顶在回采循 环内推力呈不断增大的趋势, 反映了顶梁外载合力 作用点不断前移的趋势. 需要平衡千斤顶能提供足 够的推力, 以阻止顶板压力不断前移造成的顶梁的 低头运动, 保持支架位态的稳定. 515 采矿与安全工程学报第 27 卷 3 两柱掩护式支架可以提供高强的工作阻力 和水平力初撑力, 有利于提高端面控顶效果, 使得 两柱掩护式综放液压支架控顶区的顶板破碎度小 于四柱支撑掩护式支架控顶区. 4 两柱掩护式综放支架结构简单, 平均移架 时间和放煤时间均小于四柱支撑掩护式支架, 可进 一步提高综放工作面效率. 5 两柱掩护式综放支架在顶板控制和生产工 艺方面优势明显, 是类似条件下的综放面中重点发 展的新架型. 参考文献 [ 1] 耿东锋, 王启广, 李琳. 我国综合机械化采煤装备的 现状与发展趋势[ J] . 矿山机械, 2008, 3612 1 -6. GENG Dong -feng, WANG Q- i guang, LI Lin. Cur - rent situation and development tendency on integrated mechanization mining equipment in China[ J] . Mining Processing Equipment, 2008, 3612 1 -6. [ 2] 赵宏珠, 钱建钢. 我国综合机械化采煤发展 30 年回 顾[ J] . 煤矿开采, 2009, 144 1 -6. ZHAO Hong -zhu, QIAN Jian -gang. Review of china ful- l mechanized mining coal for 30 years [ J] . Coal Mining Technology, 2009, 144 1 -6. [ 3] 赵世峰. 综采放顶煤开采技术及其展望[ J]. 煤炭技 术, 2008, 275 3 -5. ZHAO Sh- i feng. Synthesizing the mechanization a - dopts to put a coal mines technique and its outlooks [ J] . Coal Technology, 2008, 275 3 -5. [ 4] 王彪谋, 郭昊峰. 四柱放顶煤液压支架主要技术问 题研究[ J] . 煤矿开采, 2009, 145 56 -57. WANGBiao -mou,GU OHao -feng.Research on main technical problems in 4 -prop top -coal caving powered support [ J ].Coal MiningTechnology, 2009, 14 5 56 -57. [ 5] 黄尚智, 樊运策. 推进我国放顶煤液压支架改革的 建议[ J] . 煤矿开采, 2007, 126 8 -13. HUANG Shang -zhi,FAN Yun -ce.Suggestions of advancing the reation of powered support for ca - ving mining in china[ J] . Coal Mining Technology, 2007, 12 6 8 -13. [ 6] 田真真. 两柱轻型放顶煤液压支架设计[ J]. 煤矿机 械, 2005, 267 36 -38. TIAN Zhen -zhen. Design of light two -column top -ca - ve hydraulic support [ J] .Coal Mine Machinery, 2005, 26 7 36 -38. [ 7] 陈宇. 高工作阻力大采高放顶煤液压支架设计研究 [ J] . 煤矿机械, 2008, 29 12 47 -49. CHEN Yu.Study on design of high working load large mining height caving powered support[ J]. Coal M ine Machinery, 2008, 29 12 47 -49. [8] 方新秋, 钱鸣高. 支架架型对综放顶板稳定性的影响 [ J] . 辽宁工程技术大学学报, 2004, 23 5 581 -584. FANG Xin -qiu, QIAN Ming -gao. Influence of sup - port construction on roof stability in fully -mechanized top -coal caving face[ J]. Journal of Liaoning Techn- i cal University, 2004, 23 5 581 -584. [9] 陈汉章, 闫永明. 液压支架架型、 参数及其元件的设 计与选择[ J] . 煤矿机械, 2009, 30 5 24 -26. CHEN Han -zhang, YAN Yong -ming. Design and se - lection for type, specification and components of roof support[ J] . Coal M ine Machinery, 2009, 30 5 24 - 26. [10] 方新秋, 钱鸣高, 曹胜根, 等. 综放开采不同顶煤端 面顶板稳定性及其控制[ J] . 中国矿业大学学报, 2002, 311 69 -74. FANG Xin -qiu, QIAN Ming -gao, CAO Sheng -gen, et al. Research on tip -to -face roof stability and its control for different hardness coals in fully -mecha - nized top -coal caving mining[ J]. Journal of China University of Mining Technology, 2002, 31 1 69 -74. [11] 曹胜根, 钱鸣高, 缪协兴, 等. 综放开采端面顶板稳 定性的数值模拟研究[ J] . 岩石力学与工程学报, 2000, 194 472 -475. CAOSheng -gen,QIANMing -gao,MIAOXie - xing, et al. Numerical simulation study on roof sta - bility of face area in fully mechanized mining with top coal caving [ J] . Chinese Journal of Rock Me - chanics and Engineering, 2000, 19 4 472 -475. [12] 吴健, 张勇. 综放采场支架 -围岩关系的新概念[ J] . 煤炭学报, 2001, 26 4 350 -355. WU Jian, ZHANG Yong. The new concept of rela - tionship between support and surrounding rock in long wall top coal caving faces[ J] . Journal of China Coal Society, 2001, 264 350 -355. [13] 杨培举, 刘长友, 韩纪志, 等. 平衡千斤顶对放顶煤 两柱掩护支架适应性的作用[ J] . 采矿与安全工程 学报, 2007, 24 3 278 -281. YANG Pe- i ju, LIU Chang - you, HAN J- i zhi, et al. Role of the stabilizing ram in adaptability of 2 -leg shield supports[ J] . Journal of M ining Safety En - gineering, 2007, 24 3 278 -281. 516