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第 1 8卷 第 1期 总第 1 1 0期 2 0 1 3年 2月 煤矿 开采 C o a l mi n i n g Te c h n o l o g y V o 1 ． 1 8 N o ． 1 S e ri e s N o ． 1 1 0 F e b r u a r y 2 0 1 3 7 m大采高综采液压支架设计及配套 程骏 ，张严敬 ，荣和芳 1 ．天地科技股份有限公 司 开采设 计事业 部 ，北 京 1 0 0 0 1 3；2 ．枣庄煤矿第二机械厂 ，山东 枣庄 2 7 7 5 2 4 ； 3 ．大同煤矿集团 机 电装备制造有 限公 司 山西 大同 0 3 7 0 0 3 [ 摘要] 通过对陕煤集团红柳林煤矿地质条件的分析，采用经验估算、基于顶板分类、数值 模拟等方法确定支架的支护强度，并提出中部支架与端头支架大梯度过渡的配套方式。现场使用结果 表明，该支架的支护强度能够满足矿压要求，大梯度过渡的配套方式能够改善液压支架受力状态，减 少工作面上下两端部过渡段顶部三角煤损失，提高资源的采出率。 [ 关键词] 液压支架；支护强度；数值模拟；大梯度过渡；采出率 [ 中图分类号]T D 3 5 5 ． 4 1 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 1 3 0 1 - 0 0 2 5 0 3 De s i g n o f Po we r e d Su pp o r t a n d Eq ui pme n t s M a t c hi ng f o r 7 m M i n i ng He i g h t C H E N G J u n 。 Z H A N G Y a n - j i n ．R 0 N G H e ． f a n g 1 ． T i a n d i S c i e n c e＆T e c h n o l o g y C o ． ，L t d ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；2 ． Z h anz h u a n g 2 Ma c h i n e r y Wo r k s ， Z h a o z h u a n g2 7 7 5 2 4， C h i n a ； 3 ． Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c al E q u i p m e n t M a n u f a c t u r i n g C o ． ， L t d ． ， D a t o n g C o al Mi n e Gr o u p ，D a t o n g 0 3 7 0 0 3， C h i n a Ab s t r a c t B y a n a l y z i n g g e o l o g i c al c o n d i t i o n o f Ho n g l i u l i n C o l l i e ry o f S h a n me i Gr o u p，t h i s p a p e r o b t a i n e d s u p p o r t i n g i n t e n s i t y o f p o w - e r e d s u p p o r t o n t h e b a s i s o f e x p e ri e n c e e s t i ma t i o n，r o o f c l a s s i fi c a t i o n a n d n u me ric a l s i mu l a t i o n a n d p u t f o r w a r d l a r g e g r a d i e n t t r a n s i e n t ma t c h ma n n e r o f mi d p o w e r e d s u p p o rt s a n d e n d s u p p o rt ． A p p l i c a t i o n s h o w e d t h a t t h e s u p p o r t i n g i n t e n s i t y c o uld b e ar u n d e r g r o u n d p r e s s u r e ，a n d t h a t l arg e gra d i e n t t r a n s i e n t ma t c h ma n n e r c o u l d i mp rov e s t r e s s s t a t e o f p o w e r e d s u p p o r t ，r e d u c e r o o f t ri an g u l a r c o al l o s s o v e r s u p p o rt a t t h e e n d s o f f a c e ，an d i n c r e as e r e s o u r c e r e c o v e r y ． Ke y wo r d s p o we r e d s u p p o rt；s u p p o r t i n g i n t e n s i t y ；n u me ri c al s i mu l a t i o n；l arg e gra d i e n t t r an s i t i o n；mi n i n g r a t i o 目 前，高工作阻力与高可靠性掩护式液压支架 日益普及 ，澳大利亚 、南非等一些传统上主要采用 支撑掩护式液压支架的国家也已开始改用掩护式支 架⋯。在此背景下，陕煤集团决定在红柳林煤矿 5 煤层采用 7 ． 2 m大采高综采成套设备，创建年 产千万吨级以上的大型矿井 ，以提高煤炭资源采出 率和企业经济效益。 1 地质条件 陕煤集团红柳林煤矿5 煤层顶板以细粒砂岩 为主 ，局 部 为 粉 砂 岩 、中粒 砂 岩 ，厚 度 1 ． 6 0 3 2 ． O O m；底板以粉砂 岩为主 ，细 粒砂岩 次之 ，厚 度 0 ． 6 5～1 4 ． 7 5 m；煤层厚度 3 ． 1 5～9 ． 3 0 m，平均 厚度 6 ． 8 7 m，工作面斜长 3 0 0 m，走向长度 3 0 0 0 m。 2 支护强度确定 2 ． 1 经验估算法 根据红柳林煤矿 的工程地质条件 ，工作面采高 为 7 ． 0 m时所需支护强度为 P8 r h82 41 0 。7 ． 01 ． 3 4 4 MP a 式 中， r 为顶板岩层容重 ，2 4 k N ／ m ； h为煤层采高 ， 取最大采高 7 ． 0 m。 此方法确定的支架支护强度为 1 ． 3 4 4 MP a 。 2 ． 2 支架支护强度计算方法 工作面基本顶初次来压步距为 4 2 m，可计算支 架的支护强度下限为 P s 2 4 1 ． 3 1 n L f 5 2 ． 6 一1 5 ． 5 N一4 5 5 C k 1 ． 2 7 2 M P a 式中， 为基本顶初次来压步距； h 为采高； N为 直接顶充填系数 Nh ／ h 9 ／ 7 ． 01 ． 2 8 6， h为 直接顶厚度 ； C 为备用系数。 此方法确定的支架支护强度为 1 ． 2 7 2 M P a 。 2 ． 3 数值模拟分析方法 大量科学研究及现场实践发现 支架支护强度 较小时，顶板的下沉量会随着支护强度的增大而急 剧减小；当支架支护强度达到一定值后，支护强度 的增加对顶板下沉量的限制作用明显减弱 ，即支架 [ 收稿 日期 ]2 0 1 2 -1 l - 0 9 [ 基金项目] 中央国有资本经营预算重大技术创新及产业化资金资助项 目 7 m超大采高综采支护成套技术与装备研发 Z D J S 一 2 0 0 9 K S S J 1 ； 天地科技股份有限公 司开采 设计事业部 生产力 转化基金 资助项 目 K C S C L Z H一 2 0 1 2 - 0 3 [ 作者简介]程骏 1 9 8 2 一 ，男，山西晋城人，硕士，工程师，主要从事液压支架的研发。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第1 1 0期 煤矿 开 采 2 0 1 3年第1期 支护强度和顶板下沉量关系 曲线 中存在一个拐点 ， 这个拐点就是支架的最合理支护强度。 根据矿井实际地质情况建立数值计算模型，模 型左 、右两边约束其 方向位移 ，底边约束其 ， l ， 两个方向的位移 ，顶面无约束。 支护强度与顶板下沉量 曲线如图 1 所示。由图 1可知 ，当支护强度为 1 ． 5～1 ． 6 MP a时，其顶板下 沉量随支护强度 的增加而减少的程度明显下降 ，易 知支架的合理支护强度取 1 ． 5 ～ 1 ． 6 M P a 。 图 1 支护强度 与顶板下沉量 曲线 考虑本工作面采高较大 ，工作面煤壁片帮 、矿 压显现程度等不确定 因素较多 ，最终确定支架的支 护强度为 1 ． 6 MP a 。 额定工作阻力 FFP B L ／ c o s a 式 中， P为综采 区工作面额定支护强度 ，MP a ； B 为控顶距 ，5 ． 6 3 m； L为支架中心距 ，i n ； 9 ／ 为立柱 倾角 ，取 7 ． 9 9 ． 2 。 。 由上述分析可知 ，支架的工作阻力应不低于 F1 ． 62 ． 0 55 ． 6 3 ／ c o s 9 ． 21 8 7 0 7 k N 根据计算结果并进行数字圆整，支架工作阻力 确定为 1 8 8 0 0 k N 。结合支架运输及调高幅度等要 求 ，确定选用 Z Y1 8 8 0 0 ／ 3 2 ． 5 ／ 7 2 D两柱掩护式电液 控制支架 ，主要技术参数见表 1 。 表 1 Z Y 1 8 8 0 0 ／ 3 2 ． 5 ／ 7 2 D中部支架的主要技术参数 项 目 参数 型式 高度 最低／ 最高 ／ mm 宽度／ m m 中心距／ m m 初撑力 P 3 1 ． 5 M P a ／ k N 工作阻力 P 4 7 ． 9 MP a ／ k N 对底板比压 前端值／ M P a 支护强度 f o ． 2 ／ M P a 泵站压力／ M P a 操作方式 重量／ t 3 配套技术 3 ． 1 中部支架与端头支架的大梯度过渡 2 6 工作面煤层开采高度已达到 7 m，受掘进设备 及支护技术 的限制 ，巷道高度为 4 ． 2 m，工作面采 高与巷道有 2 ． 8 m高度差。常规工作 面设备配套方 式是从上 、下两巷道端头液压支架通过几架甚至几 十架液 压支 架逐 渐 过渡 到工 作 面 中部 正 常 采高 过渡段相邻支架 高度差 约为 2 0 0 m m ，这种配套 方式的缺点是无法回收工作面两端的顶部三角煤。 为解决此问题 ，采用特殊端头液压支架从上下 两巷道高度直接大梯度过渡到工作面正常采高 。以 运输巷为例 见 图 2 运输巷道 由端头支架 1支 护；特殊端头支架 2 的大侧护板8与相邻端头支架 1的侧护板 9相搭接 ，直接 由巷道高度大梯度过渡 到工作面采高 ，另一侧护板与过渡支架 3的侧护板 搭接 ，保证工作面的安全防护。这种大梯度过渡方 式显著减少了工作面上下两端部过渡段顶部三角煤 损失 ，改善了液压支架受载状态 ，提高了煤炭采出 率。以巷道高度 4 ． 2 m，工作面煤层平均开采高度 6 ． 8 m，煤壁净宽 3 0 0 m，工作面走 向长度 3 0 0 0 m， 煤的密度 1 ． 3 5 t ／ m 计算 ，采用大梯度过渡采出率 提高约 3 ． 2 3 ％，产量提高约 0 ． 2 5 Mt 。 1 一 端头支架 ；2 一特殊端头支架 ； 3，4 一过渡支架 ； 5 一采煤机 ；6 一刮板输送机 图2 运输巷中部支架与端头支架的大梯度过渡 特殊端头支架 2 见 图 3 的特点工作 阻力 和支护高度与中部支架相同；支架一侧设有铰接 的 侧翻板 ，确保最低采高时大侧护板不会干涉刮板输 送机机头 ；工作面两端大侧护板对称布置 。 图3 特殊端头支架 3 ． 2 中部支架、端头支架的搭接 S G Z 1 4 0 0 ／ 3 x 1 5 0 0交叉侧卸 式刮板输送机共 3 一 一 一 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 程 骏等7 m大采高综采液压支架设计及配套 2 0 1 3年第1期 台驱动电机 ，其中 2台双侧平行布置 ，1台在机头 垂直布置 。端头支架 1和特殊端头支架 2的推移点 距刮板输送机中心线的距离为 3 8 5 0 m m，而中部支 架推移点距刮板输 送机 中心线 的距 离为 1 1 2 0 m m， 由于机头推移点滞后中部推移点 2 7 3 0 m m，在 中部 支架和端头支架之间布置 2个过渡支架 3和 4 ，推 移点距 刮 板 输 送机 中心 线 距 离 分别 为 2 9 1 5 m m， 1 9 8 5 mm，通过调整顶梁长度或改变支架支护方式 见表 2 ，防止拉架过程 中因侧护板脱 离而咬架 。 过渡支架 4与 中部支架完全相同，只是采用滞后支 护的方式 滞后步距 8 6 5 m m 。 表 2 支架顶梁长度及 支护方式 4 使用情况 大功率采煤机、刮板输送机和 7 ． 2 m大采高液 压支架于 2 0 1 1 年 6月安装在红柳林煤矿 2 5 2 0 2综 采工作面 ，使该工作面的年生产能力达到千万吨以 上 ，中部支架 与端头支架 的大梯度过 渡可使采 出率提高约 3 ． 2 3 ％。 5 总结 通过对陕煤集团红柳林煤矿大采高液压支架设 计及配套研究 ，得 出如下结论 1 当支护强度增加 到 1 ． 5～1 ． 6 M P a时 ，顶 板下沉量 随支护强 度的增加而减少 的程度 明显下 降 ； 2 特殊端头液压支架与端头液压支架大梯 度过渡可提高资源采 出率 ，改善液压 支架受力状 态。 3 中部支架 和端头支架之间布置 2个过渡 支架 ，可防止拉架过程中因侧护板脱离而出现咬架 现象。 [ 参考文献] [ 1 ]张银亮 ，赵军 ．国产大采 高液压 支架 的研究现状 与发 展趋 势 [ J ]．煤矿开采 ，2 0 0 8，1 3 6 卜3 ． [ 2 ] 毛 德 兵 ．综 放 支 架 支 护 强 度 与 煤 层 采 出 厚 度 关 系 的 研 究 [ J ]．煤炭科学技术 ，2 0 0 9 1 4 5 4 8 ． [ 3 ]郝存义 ，段 军 ． 6 m 大采 高综 采面 支架 合理 支 护强 度确 定 [ J ]．煤矿 开采 ，2 0 1 0，1 5 6 1 2 1 4，2 8 ． [ 4 ]朱军 ． 年产千万吨综采工作面液压支架的研制 [ J ]．煤矿 开采 ，2 0 1 1 ，1 6 3 9 8 1 0 0 ，8 8 ． [ 5 ]王洪庆，乔巨忠．同煤集团同朔同盈 2号煤层液压支架选型 [ J ]．煤 ，2 0 1 2 2 2 3 2 6 ． [ 6 ]刘旭东，夏护国． 7 m大采高综采设备选型配套与应用 [ J ]． 矿 山机械 ，2 0 1 2 2 1 3 - 1 6 ． [ 7 ]张立荣 ． 某煤矿中厚煤层液压支架设计选型 [ J ]． 煤矿机械， 2 0 1 2 5 1 9 2 1 ． [ 8 ]王启佳，孙 维，刘中海 ．液压支架支护强度的分析计算 [ J ]．煤矿 机械 ，2 0 1 2 7 8 - 9 ． [ 责任编辑 徐 亚军] 上接 l 9页 的多解性，增加探测结果的可信度和准确性。本文 对于浅层地震和瞬变电磁法的综合应用进行了研 究 ，取得了良好 的效果。 [ 参考文献] [ 1 ]梁爽 ，李志民 ．瞬变 电磁 法在 阳泉二 矿探测 积水 采空 区效 果分析 [ J ]． 煤田地质与勘探，2 0 0 3 ， 3 1 4 4 9 5 1 ． [ 2 ]安润莲 ，姚精选 ， 杨引串．瞬变电磁勘探技术在探测采空区 中的应 用 以阳煤集 团氧化铝 厂采空 区勘探为 例 [ J ]．中 国地质灾害与防治学报 ，2 0 0 6 ，1 7 4 1 1 6 1 2 2 ． [ 3 ]张开元 ，韩 自豪 ，周韬 ．瞬变 电磁法 在探测 煤矿 采空 区中 的应用 [ J ]． 工程地球物理学报， 2 0 0 7 ， 4 4 3 4 1 3 4 4 ． [ 4 ] 罗平平 ，范波 ，李 松平 ．井下 瞬变 电磁法在 底板 富水异 常 区探测 中的应 用 [ J ]．河南理工大学学报 ，2 0 1 1 ，3 0 1 ． [ 5 ]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 ，2 0 0 5 ． [ 6 ]于景鄙，刘志新，刘树才，等 ． 深部采场突水构造矿井瞬变 电磁法探查理论及应用 [ J ]．煤炭学报 ，2 0 0 7 ，3 2 8 ． [ 7 ]于景邮，刘志新．用瞬变电磁法探查综放工作面顶板水体研 究 [ J ]．中国矿业大学学报，2 0 0 7 ， 3 6 4 5 2 5 4 ． [ 8 ]王俊茹，张龙起，宋雪琳 ．浅层地震勘探在采空区勘测中的 应用 [ J ]．物探 与化探 ，2 0 0 2，2 6 1 7 5 7 8 ． [ 9 ]陈相府，安西峰，王高伟 ．浅层高分辨地震勘探在采空区勘 测 中的应用 [ J ]．地球物理学进展 ，2 0 0 5，2 0 2． [ 1 0 ]程建远 ，张广忠 ，李林 元 ，等 ．老窑采空区地震探测 新技术 及其应用前景 [ J ]．中国煤 田地质 ，2 0 0 3，1 5 5 5 O 一 6 0 ． [ 1 1 ]程建远 ，孙洪星 ，赵庆彪 ，等 ．老窑采空 区的探测 技术与实 例研究 [ J ]． 煤炭学报，2 0 0 8 ， 3 3 3 2 5 1 2 5 5 ． [ 1 2 ]熊章强 ，王根显 ．浅层地震勘探 [ M]．北京 地震出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 1 3 ]程志平 ．电法勘探教程[ M]．北京冶金工业出版社， 2 0 0 7 ． [ 1 4 ]李貅 ． 瞬变电磁测深的理论与应用 [ M]． 西安陕西科 学技术出版社 ，2 0 0 2 ． [ 1 5 ]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，2 0 0 5 ． [ 责任编辑施红霞] 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m