厚松散层浅埋深煤层综采面液压支架设计选型.pdf

2 0 1 5 年第 2 期 中州煤炭 总第 2 3 0 期 厚松散层浅埋深煤层 综采面液压支架设计选型 孔凡 德 ， 刘庆 礼 煤炭工业郑 州设计研究 院股份有 限公 司， 河南 郑州4 5 0 0 0 7 摘要 液压支 架的设计选型是煤矿工作 面综采设备选 型和 配套 的核心 ， 结合 内蒙古海华煤炭有 限公 司江木 图 南井 的地质条件 ， 分析 厚松散层 浅埋 深煤 层综采工作面矿压 规律 及特 点， 利用估算法确定液压支架合理 的支 护 阻力 ， 选用技术参数合理 、 经济效益突 出的液压支架 ， 为类似条件的支架选型提供 了新 的方法和手段。 关键词 厚松散层 ； 浅埋深 ； 液压 支架 中图分类号 T D 3 5 5 ． 4 2 文献标 志码 B 文章编 号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 5 0 2 0 0 7 6～ 0 3 神府 一 东胜 煤 田是我 国已探 明 的最大 煤 田 ， 主 要 含 煤地 层 为 侏 罗 系 中一 下统 延 安 组 ， 具有 煤 层 赋 存 埋藏 浅 、 基 岩 层 薄 、 地 表 覆 盖 松 散 层 厚 等 典 型 特 点 。东胜 煤 田的开 采 实践 表 明 ， 尽 管 浅埋 煤 层 的矿 井地质及开采技术条件都 比较优越， 但在工作面开 采后 基岩 层将发 生 全 部破 断 ， 松 散 层 将 随破 断 的基 岩层 发生 同步下 沉 运 动 ， 上覆 岩 层 中无 法形 成完 整 的三带 ， 工作 面 矿 压 显 现 剧 烈 ， 对 工 作 面 形 成 瞬 间冲击载荷， 常伴 随溃水 、 溃沙等灾害， 严重影响安 全生 产 。因此 ， 针对 浅埋深 煤层 覆岩 活动 的特 殊性 ， 研究 浅埋 深煤层 综 采 工作 面 液 压 支 架选 型设 计 ， 对 工作 面安 全生 产具有 重要 的现 实意 义 。 1 矿井地质条件 内蒙 古海华 煤 炭有 限公 司江木 图南 井位 于东胜 煤 田北部 ， 井 田为 一个 单 斜 构 造 ， 煤 层倾 角平 缓 ， 含 煤地 层为 侏罗 系 中下 统 延 安组 ， 可 采煤 层 7层 。根 据井 田煤层赋存情况 ， 设计上部煤层 3 2煤层 部 分 采用露 天 开采 ， 下 部煤 层采 用井 工开 采 。 目前 ， 3 ． 2煤 层 露采 区 已基 本开 采完 毕 ， 形 成 内排 土 场 区 ， 并 恢 复到原 有标 高 ， 井 工初 期设 计 开 采 4 - 1煤 层 。4 1 煤 层平均 煤厚 2 m， 与 上 部 的 3 2煤 层 平 均 间距 2 0 m， 煤层 埋深 平均 6 0 m， 4 1 煤 层顶板 岩性 以泥 岩 、 砂 质 泥岩 为主 ； 底板岩 性 与顶板 相 同。 1 泥岩抗 压强度 。① 自然状态 1 4 ． 0～1 6 ． 8 MP a ， 平均 l 5 ． 5 5 M P a ； ②吸水状态 3 ． 3～9 ． 6 MP a ， 平均 5 ． 7 7 MP a ； ③ 坚 固性 系数 1 ． 4 3～1 ． 7 2 ， 平 均 1 ． 5 9 收稿 日期 2 0 1 41 11 3 作者简介 孔凡德 1 9 7 9 一 ， 男 ， 河南信 阳人 ， 工程师， 硕士 ， 2 0 0 6年 毕业于河南 理工大学 ， 现从事项 目管理和设计 工作 。 76 2 砂质 泥岩抗压 强度。① 自然状态 1 1 ． 7～ l 9 ． 7 MP a ， 平均 1 5 ． 2 7 M P a ； ② 吸水状态 1 ． 8～3 ． 7 M P a ， 平均 2 ． 8 7 MP a ； ③坚 固性系数 1 ． 1 9～1 ． 9 7 ， 平 均 1 ． 5 8 。 根 据上 述力 学 指 标 ， 4 - 1煤 层 直 接 顶 属 于 I类 不稳定 顶板 ； 底板 属 于 Ⅱ类 松软 底板 图 1 。 累深， 层厚， 柱状 岩石名称及岩性描述 m 红黏土黄红一 紫红色，半固结状，以泥岩 工 成分 为主，粉砂次之 ，松散状 。 3 ． 1 0 3 ． 1 O 一 一 一 一一 砂砾岩紫红色，不等粒状结构，砾石成分 4 9 8 5 4 6 ．75 混杂，滚圆度好，大小不等。 泥岩 浅灰紫色 ，泥质结构 ，含高岭土 。 5 3 ．7 5 3 ．9 0 3 - 2 煤 黑色 ，细条带结构 ，层状构造 ，为 5 6 -3 5 2 ．6 0 暗煤 。 中一 细粒砂岩 灰色 ，碎屑结构 ，块 状构造 ， 中细粒砂的主要成分为石英 ，禽有少量云母 7 3 ．5 0 1 7 ． 1 5 和暗色矿物 ，泥质胶结 。 兰 ．_ 粉砂质泥岩 灰色 ，粉砂泥结 构 ，层状构 8 1 ．0 5 7 ． 5 5 造。 4 - 1 煤 黑色 ，细条带结构 ，层状构造 ， 8 2 ． 4 5 1 ． 4 0 8 2 ．7 O 0 ． 2 5 ， ， 匮 为暗煤 。 0 ． 6 5／ 8 3． 35 盼 砂质 泥岩 灰 色，粉砂泥结构 ，层状结构 。 9 1 ． 3 5 8 ．o o 兰 -- 图 1 4 - 1煤 层 顶 底 板 综 合 柱 状 2 矿压显现规律及特点分析 根据煤层赋存条件 ， 海华公司江木图南井井 工 初期 开采 4 ． 1煤 层 ， 该 煤 层 属 于 厚 松 散 层 浅 埋 深 煤 层 ， 并且 上覆 部分 地层被 露 天开采 所破 坏 ， 国 内外 类 似条 件下 的实 际观 测 和 理 论研 究 结 果 表 明 ， 在 开 采 过程 中 ， 浅埋深 及松 软顶 板难 以形成 “ 梁 ” 或 “ 板 ” 结 构 ， 随着 工作 面推 采 ， 松 软 顶板 将 产 生 裂 缝 ， 形 成 块 体 ， 表现 为整体 切 落 ， 易 于 出现 顶板 台阶 下 沉 ， 因而 2 0 1 5年第 2期 孔凡德 ， 等 厚松 散层 浅埋 深煤 层综 采面 液压 支架 设计 选型 总第 2 3 0期 可 视顶 板岩 层 为 碎块 体 ， 即松 散 介 质 。这 些 块 体 相 互 挤压 ， 相 互 作 用 ， 形 成 “ 压 力 拱 ” 结 构 ， 如 图 2所 示 ， 并 随着 开采 ， “ 压力 拱 ” 范 围不 断增 大 ， 当工 作 面 推 进 到一定 距 离 时 ， “ 压 力 拱 ” 失 稳 破 坏 ， 产 生 初 次 来 压 ， 当拱 顶高度 接 近地表 时 ， 压力 拱 内主结 构岩 层 失稳 破坏 ， 造 成工 作 面更剧 烈 的来压 ， 随 之拱外 次结 构 内岩体 破 坏 ， 造 成地 表下 沉 ， 压力拱 结 构周期 性 失 控并 前移 ， 引起工作 面周期来 压 。 图 2 工作面支架一 围岩力学模型 从 浅 埋 深综 采 工 作 面矿 压 显 现规 律 可 以 看 出 ， 其具 有显 著 特点 ， 主要 表现 在 以下几 方 面 1 浅 埋深 煤层 存 在 着 明显 的 初 次来 压 和 周期 来压 ， 且 比一 般开 采条 件下 的来 压更 为剧 烈 ， 更 加显 著 。在工 作 面初次 来 压 和 周期 来 压 时 ， 会 出 现顶 板 沿 煤壁 全 厚切 落 ， 地 表 出现整 体 台阶下 沉 ， 如果 支架 工作 阻力 小 ， 支 架 将 被 压死 ， 移 架 困难 ， 影 响安 全 生 产 。 2 在厚松散层作用 下 ， 工作 面上覆 薄基岩整 体切落 ， 工作面来压 时顶板基岩波及整个岩层和松 散 层 。 由于基本 顶承 受其 上覆 岩层 和松 散层 全部 重 力 ， 大多 数情 况 下 不 能 形成 “ 梁 ” 或 “ 板 ” 结 构 ， 基 岩 的剪切 破坏 引起 全 厚 度 切落 ， 基 岩及 松 散 层 易 形 成 图 2所示 的“ 压力 拱 ” 结 构 。 3 工 作 面的采 高 在很 大 程 度 上影 响着 顶 板矿 压显 现规 律 和顶 板破 断运 动 过 程 ， 这 主 要 是 由于采 高影响直接顶垮落后对采空区的充填作用 ， 采高较 高， 薄基岩垮落后不能充满采空区， 导致上覆厚松散 层下沉 ， 造成地表破坏 ， 易造成溃水 、 溃沙等灾害； 采 高较低 ， 充 填较 好 ， 基 本 顶 切 落后 受 阻 ， 对 控 顶 区裂 隙发展 能起 到 闭合作 用 。 4 液 压支架 初撑 力 能 有 效控 制 顶 板 切落 后 的 发展过程。一般情况下 ， 提高液压支架的初撑力 ， 能 有效 减 缓顶 板下 沉量 ， 使 顶板切 顶 线后移 。 根据 海华 公 司 江 木 图 南 井 地 质 条 件 ， 4 - 1煤 层 埋深 平 均 6 0 1T I ， 与 上 部 的 3 ． 2煤 层 平 均 间距 2 0 m， 并 且 4 - 1煤层 上 部 的 3 ． 2煤 层 部 分 采 用 露 天 开 采 ， 属 于典 型 的浅埋 深煤 层 。 3 浅埋深综 采面液压 支架架型选择 液 压支 架 是 综 采 面 主要设 备 之 一 ， 在设 备 投 资 中 占据 比例较 大 ， 其 关 系 到工 作 面 的安 全 生 产 和 工 作面高产高效 的实现 ， 选择合理的支架是浅埋煤层 综采 论证 的关 键 。根据 浅埋 深综采 工作 面矿 压显 现 规律及 特 点 ， 上覆 岩 层 较 薄 ， 很 难 形 成 “ 梁 ” 或 “ 板 ” 结 构 ， 随着 工作 面 的 推进 ， 易 于 出现 顶 板 台 阶下 沉 ， 形成“ 压力拱” 结构 ， “ 压力拱 ” 失稳破坏 ， 产 生初次 来 压 和周期 来压 ， 因此 ， 工作 面液压支 架必 须有 足够 的工作 阻力 承受 上覆 岩层 和土层 的初 次来压 和 周期 来 压 。国 内外大 量 生 产 实践 表 明 ， 目前 较好 的架 型 是 双立柱 支 顶掩 护 式支 架 ， 该 架 型 也 在 浅埋 煤 层 工 作面得到广泛应用 。借鉴东胜煤 田其他矿井支架使 用情 况 ， 设计 选用 高 阻 力 两柱 掩 护 式 、 四连 杆 机 构 、 整体刚性顶梁液压支架 ， 该形式的支架适应于煤 层埋 深浅 而可 能产 生较 大顶板 来压 的地 层 。 4液压支架 的确定 支 架选 型 的重 点是确 定合 理 的支架额 定工 作 阻 力 ， 工 作 面液压 支架 的工作 阻力 确定 ， 一 直是 学术界 和工程 界关 注 的重点 。关 于工 作面 采前支 架支 护 阻 力的确定 ， 目前主要采用倍重法 、 折算法和经验公式 计算法E 6 3 。由于浅埋煤层顶板结构的特殊性 ， 不能 够形成稳定的砌体梁结构 ， 传 统的计算方法有很大 的误差 ， 本文在相关研究的基础上 ， 通过对内蒙古海 华公 司 江 木 图 南 井 煤 层 实 际 赋 存 条 件 分 析 ， 本 着 “ 遵 循技 术 先 进 、 经 济 合 理 、 安 全 可 靠 ” 3条 基 本 原 则 ， 对综采工作面液压支架选型进行优化， 结合浅埋 深煤层 “ 压 力拱 ” 结 构理 论 ， 利 用估 算 法确 定 支 架 支 护强 度 ， 进而计 算 工作 面支架 合理 的支 护阻力 。 江木 图南 井 属 于 典 型 的浅 埋 深 煤 层 ， 其 4 ． 1煤 层上覆岩层较薄， 与3 ． 2煤层之间的间距平均 2 0 m， 在采 空 区垮落后 基 本属 于充 满 状 态 ， 不 能形 成 “ 梁 ” 或“ 板” 结构， 而传统的支架支护阻力计算是根据上 覆垮落岩层的重力来进行估算。此外， 由于上部 3 ． 2煤层部分采用露天开采， 并形成 内排土场区 即形 成 了很厚的松散层 ， 随着工作面推采， 松软顶板将 形成 “ 压 力 拱 ” 结 构 ， 并 且 随着 开采 推 进 ， 其 范 围 不 断增 大 ， 当 “ 压 力拱 ” 达到 临界 时 ， 产 生初次 来压 ， 此 时 顶板 支架 的作 用荷 载实 际上是 基岩 顶板 和上层 压 77 2 0 1 5 年第 2 期 中州煤炭 第2 3 0期 力 拱 内土所 受重 力 图 2 ， 作 用 于 工 作 面液 压 支 架 的荷 载采用 估算法 ， 计 算如下 q Kd h r y 1 式 中， q 为工作 面支架所需支护 强度； K 为基 本顶 失 稳 时 的 动 载 系 数 ， 取 K 1 ． 2 ； h 为 顶 板 基 岩 厚 度； 为顶板基岩容重； h 为土层成拱高度 m； y 为 土层容 重 。 将 数据 代入 式 1 计 算 得 ， g 1 ． 3 0 MP a 。 4 1煤层 支架 工作 阻力 为 P q 。 B 2 式 中 ， P为 支 架 工 作 阻力 ； L 为 梁 端 距 ， 0 ． 5 0 I T I ； L 为顶 梁长度 ， 4 ． 0 IT I ； B为支 架 宽度 1 ． 7 5 12 “1 。 将数 据代 入式 2 计算 得 ， P 1 0 2 3 8 k N。 根据 支护 强度 的计算 ， 结 合 4 - 1 煤 层 回采高 度 ， 另外 ， 考虑 到该 矿井 属于 厚松散 层浅 埋深 煤层 ， 顶板 不 易形成 稳定 的结 构 ， 压 力较 大 ， 来 压存 在 明显 动 载 现象 等 ， 同时参 考东 胜 煤 田周 边煤 矿 液 压 支 架使 用 情况 ， 该 矿 井 液 压 支 架 初 步 选 用 Z Y 1 1 0 0 0 ／ 1 2 ／ 2 4 D 型掩护式液压支架 ， 支撑高度 1 ． 2～2 ． 4 m， 工作 阻 力 1 1 0 0 0 k N， 支架 中心 距 1 ． 7 5 m。过 渡支 架 选 用 Z Y G1 1 0 0 0 ／ 1 2 ／ 2 4 D型 ， 支 撑 高 度 1 ． 2～2 ． 4 m， 工 作 阻力 1 1 0 0 0 k N， 支架 中心距 1 ． 7 5 in 。 5 结 论 1 厚松 散 层 浅 埋 深 煤 层 开 采 实 践 表 明 ， 尽 管 浅埋 深煤 层开 采技 术 条 件 比较 优 越 ， 但 在 工 作 面 开 采 后基 岩层将 发 生全 部 破 断 ， 松 散层 将 随破 断 的 基 岩层 发 生 同步下 沉运 动 ， 上 覆 岩 层 中无 法 形 成 完 整 的三带 ， 工作 面存 在着 明显 的初 次来压 和周期 来压 ， 上接 第 4 4页 出现 应 力 增 大 区域 ， 顶板 变 形 也 随之增 加 ， 开 采后 顶板 弯 曲表 现 出非对称 性 ， 有利 于 指导急倾斜煤层顶板控制。 2 新铁 煤 矿 工 程 实 例 表 明 ， 根 据计 算 的 理 论 顶 板 弯 曲曲线 ， 在距工 作 面下部 回风巷 2 0 n l 左右 处 顶 板变 形 和来 压 明显 增 加 ， 建 议 矿 方 在这 些 区域 加 强支护 ， 确保工作面安全生产 ， 且为解决此类急倾斜 煤 层 巷道支 护 问题提供 了借 鉴 。 参考 文献 [ 1 ] 屠洪盛 ， 屠世浩 ， 白庆升 ， 等． 急倾斜煤层工 作面区段煤柱失稳 机理及 合理尺 寸[ J ]中国矿业大学学报 ， 2 0 1 3， 4 2 1 6 - 7 ． [ 2] 杨帆． 急倾斜煤 层采动覆 岩移 动模式及 机理研 究 [ D] ． 阜新 ． 78 并且比一般开采条件下的来压更为剧烈， 更加显著。 同时在厚松散层作用下 ， 工作面上覆薄基岩整体切 落 ， 工作 面来 压 时顶板 基岩 波及整 个岩 层 和松散 层 ， 形 成 “ 压 力拱 ” 结 构 ， 因此 ， 液 压 支架 初 撑 力 就 显 得 尤 为重要 ， 足够 的初 撑 力能 有 效 控 制顶 板 切 落 后 的 发 展过 程 ， 减 缓顶 板下 沉 ， 使 顶板 切顶 线后移 。 2 在深 入分析 厚 松散 层 浅埋 深 煤 层综 采 工 作 面矿压规律及特点的基础上 ， 选用高阻力两柱掩护 式 、 四连杆 机构 、 整 体 刚性 顶 梁 液 压 支架 架 型 ， 分 析 出液压 支架 的作 用荷 载实 际上是 基岩 顶板 和上 层压 力 拱 内土所 受重 力 ； 列 出支 架支 护强度 公式 ， 估算 出 支 架支 护强 度达 1 ． 3 0 MP a ， 计算 出工作 面 支架 支 护 阻力 为 1 0 2 3 8 k N， 从 而选 用 了技 术 参数 合 理 、 经 济 效益 突 出的液压 支架 。 参 考文献 [ 1 ] 钱鸣高 ， 石平五． 矿山压力及其控制 [ M] ． 徐州 中国矿业 大学 出 版 社 ， 2 0 0 3 [ 2 ] 张建华． 薄基岩浅埋煤 层安 全开采技 术研究 [ R] ． 太原 太 原 理 工 大 学 ． 2 01 1 ． [ 3 ] 张新荣． 基于相似类 比法的浅埋 深工作面 支架选型 [ J ] ． 煤矿 开采 ， 2 0 0 8 1 0 6 9 - 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