王家塔煤矿大采高液压支架合理工作阻力研究.pdf

第1 5卷 第5期 总第9 6期 2 0 1 0年 1 0月 煤 矿 开 采 Co a l mi n i n g Te c h n o l o g y V o 1 ． 1 5 N o ． 5 S e r i e s N o ． 9 6 Oc t o b e r 2 0 1 0 王家塔煤矿大采高液压支架4 “ - 工作 阻力研 究 王彪谋 ，周 国际 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 ．新奥集 团 王家塔煤矿 ，内蒙古 鄂尔多斯 0 1 7 0 0 0 [ 摘要] 回采工作面液压支架支护强度的确定是液压支架选型中的重点和难点，支护强度确 定后，根据液压支架具体配套设计方案中的支护面积，可计算出支架工作阻力。对于新矿 区，支护强 度 的确定通 常采用理论公 式计算法、数值模拟 法、类 比法 等多种 方法进行 综合论 证，对于浅埋 深特殊 煤层还 要考 虑浅埋 深相关因素的影响，要采取科 学方法进行选 型和 确定 。 [ 关键词] 大采高；液压支架；工作阻力；计算研究 [ 中图分类号]T D 3 5 5 ． 4 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 1 0 0 5 - 0 0 6 4 - 0 2 Re s e a r c h o n Ra t i o n a l W o r k i n g Re s i s t a nc e o f Po we r e d Su pp o r t wi t h L a r g e Mi n i n g He i g h t i n W0 n g J i a t a C o l l i e r y WANG B i a o ． mo o ．Z H0 U Gu o i i 1 ．C o a l Mi n i n g＆D e s i g n i n g D e p a r t m e n t ， 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 ij i n g 1 0 0 0 1 3， C h i n a ； 2 ．Wa n g j i a t a C o l l ie r y ，X i n a o G r o u p ，E r d o s 0 1 7 0 0 0 C h i n a Ab s t r a c t S u p po r t i n g d e ns i t y d e t e r mi n a t i o n i s a n l a i u c o nt e n t a nd i t i s di ffic u l t i n l e c t o t y p e o f p o we r e d s up p o ． Af t e r d e t e r mi n i n g s u p p o i n g d e n s i t y ，w e c a n c a l c u l a t e w o r k i n g r e s i s t a n c e o f p o w e r e d s u p p o a c c o r d i n g t o s u p p o s i n g s q u a r e ．F o r a n e w mi n i n g a r e a ， i t i s o f - t e n de t e r mi n e d c o mpr e h e n s i v e l y b y t he o r e t i c a l f o r mu l a。n ume r i c a l s i mul a t i o n a nd a n a l o g y．F o r t h e s pe c i a l c o a l s e a m wi t h s ha 1 1 o w bu r i e d de p t h，o t he r f a c t o r s r e l a t e d t o s h a l l o w bu r i e d d e p t h mu s t b e c o ns i de r e d a n d a p p l y s c i e nt i fic me t h o d． Ke y wo r ds l a r g e mi ni ng h e i g ht ；p o we r e d s u pp o ；wo r k i n g r e s i s t a nc e；c a l c u l a t i o n r e s e a r c h 两柱掩护式大采高液压支架 以其 良好的适应性 被 国内外广泛使用 ，影响掩护式支架适应性的主要 因素是支护参数和结构 ，如初撑力 、额定工作阻力 和合理的结构功能。支护强度的确定是液压支架选 型中的重点和难点，支护强度确定后 ，根据液压支 架具体配套设计方案中的支护面积 ，可计算 出支架 工作阻力 。以鄂尔多斯矿区王家塔煤矿大采高工作 面液压支架工作阻力的确定为例进行分析研究。 3 0 M P a以下 ，砂质泥岩类吸水状态抗压强度明显降 低 ，多数岩石遇水后软化变形 ，甚至崩解破坏 ，软 化系数绝大部分小 于 0 ． 7 5 ，均 为软化岩石 ，个别 钙质 填 隙 的砂岩 或 泥 岩抗 压 强度 稍 高 ，最 高 为 5 7 ． 7 MP a 。因此 ，煤层顶 底板 岩石 以软弱 岩石 为 主，半坚硬岩石次之。 工作面主要技术参数 采高 4 ． 3～ 5 ． 3 m，工作 面长度 3 0 0 m，总体配套能力为年产 5 ． 0 M t 。 1 煤层赋存条件 2 支护强度计算 王家塔煤矿 3 煤层一盘 区可采范 围内共有钻 孔 3 6个 ，钻孔 煤厚 2 ． 1～9 ． 2 m 含夹矸 ，平均 5 ． 0 5 m，其中厚度大于 6 ． 0 m钻孔 共 6个 ，全部集 中在 G 1 0 9高速公路北侧初期开采 的前 4个工作 面 的西部 ，面积约 1 ． 3 k in ，其余区域煤层厚度 3 ． 5～ 5 ． 4 5 m，平均 4 ． 3 m。 煤层顶底板岩石主要为砂质泥岩 、细粒砂岩 、 粉砂岩 ，次为粗粒砂岩。根据钻孔岩石物理、力学 性能试 验结果 ，岩石 的抗压强度很低 ，大部分在 支护强度确定 的基本原则 使工作面岩层控制 在达到最优的技术经济效果的前提下 ，保证液压支 架工作 的高可靠性和较高的适应性。对于新矿区在 没有矿压观测资料的情况下，支护强度的确定通常 采用理论公式计算法 、数值模拟法 、类比法等多种 方法进行综合论证 ，对于浅埋深特殊煤层还要考虑 浅埋深相关加权因素的影响。 2 ． 1 按照采高法确定支护强度 q d1 0 ～K 1 1 ． 0 6 MP a [ 收稿 日期]2 0 1 0 一 o 4 1 4 [ 作者简介]王彪谋 1 9 6 3 一 ，男， 甘肃民勤人，研究员，从事综采工作面总体配套和液压支架设计，现任开采装备技术研究所副所长。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王彪谋 等王 家塔煤矿 大采高液压支架合理工作 阻力研 究 2 0 1 0年第 5期 式 中， 为作用于支架上 的顶板岩石厚度系数 ，一 般取 6～8 ，大 采 高 取 8 ；H 为 工 作 面 采 高 ，取 5 ． 3 m； 为岩石密度 ，取 2 ． 5 t ／ m 。 2 ． 2 岩石密度法确定支护强度 支架支护强度确定以支撑支架上方 冒落带重量 并考虑顶板来压时的动载系数 ，计算公式 玎 q K d 0 ． 8 8 MP a 』 p一1 式 中， 为大采高动载系数 ，取 2 ；K。 为顶板岩石 碎胀系数 ，取 1 ． 3 。 2 ． 3主采煤层浅埋深因素的影响 埋深小于 1 5 0 m的煤层可以分为 2种类型 1 基岩 比较薄 、松散载荷层 厚度 比较 大 的 浅埋深煤层 ，其顶板破断为整体切落形式 ，易于出 现顶板台阶下沉 ，基本 顶为单一 关键层结构 的煤 层 ，此类厚松散层浅埋深煤层称为典型 的浅埋深煤 层 。顶板岩层不存在 “ 三带 ” ，基本为垮落带和断 裂裂缝带，来压具有明显的动载现象。 2 基岩厚度 比较 大、松散 载荷层厚度 比较 小的浅埋深煤层 ，其矿压显现规律介于普通工作面 与浅埋深煤层工作面之问 ，表现为两组关键层 ，存 在轻微的台阶下沉现象 ，可称为近浅埋深煤层 。 总体上 ，浅埋深煤层工作面的主要矿压特征是 基本顶破断运动直接波及地表 ，顶板不易形成稳定 的结构 ，来压存在明显动载现象 ，支架处于给定失 稳载荷状态。 根据王家塔矿浅埋深煤层开采条件 ，运用数值 模拟的 方法 计算 得 出支 架 的 支 护强 度 应 不小 于 0 ． 9 3 5MPa 。 2 ． 4 类比计算法 借鉴已开采工作面成功经验 ，进行类 比研究液 压支架支护强度是非常重要的方法。王家塔矿煤层 赋存条件与神东矿 区、鄂尔多斯矿区类似 ，均属于 浅埋深煤层 ，但王家塔 矿顶板相对 较软 ，随采随 冒，矿压显现相对神东矿区工作面压力较弱。 神东 、鄂尔多斯矿区采高 5 ． 5 m工作面使用的 国内外液压支架主要特征及参数统计如表 1 、表 2 。 表 1 国外 5 m。5 ． 5 m液压支架主要技术特征 项 目 参数 架型 支架高度／ m 支架 中心距／ I n 支护强度／ MP a 工作阻力／ k N 二柱掩护式液压支架 4． 5 ～5 ． 5 1 ． 7 5 0． 9 2 ～1 ． O 5 7 4 3 2 ～8 6 4 0 由表 1 、表 2可以看 出， 5 m和 5 ． 5 IT I 大采高掩 护式液压支架支护强度大多为 0 ． 9 2～1 ． 0 9 MP a ，工 作 阻力大多为 8 6 4 0～ 9 0 0 0 k N。 表2 国产 5 m，5 ． 5 m液压支架主要技术特征 综上所述 ，通过采用理论计算 、数值模拟 、类 比分析等多种 方法进行研究 论证 ，考 虑设备适用 性 、可靠性 、经济合理性等 因素 ，综合确定王家塔 矿综采 区工作 面液压支架支护强度为 1 ． 1 MP a ，可 以满足使用要求 ，同时在支架设计时应优化结构 ， 提高其适应性和可靠性 。 3 支架工作阻力的确定 综采区工作面支护强度确定以后 ，支架工作 阻 力主要取决于支护顶板的控顶面积。支架控顶面积 主要与支架 中心距 和配套设 备 的断 面纵 向尺寸有 关。由于工作面 “ 三机”配套设备的断面纵向尺 寸在采煤机 、刮板输送机定型配套后才能准确地确 定 ，本计算暂参考已使用的、设备型号基本相同的 机型配套断面进行。 额定工作阻力 F F≥ PB L／r l 9 23 2k N 式中，P 为 综 采 区 工 作 面 额 定 支 护 强 度 ，P≥ 1 ． 1 MP a ；L为支架 中心距 ，取 1 ． 7 5 m；B 为控 顶 距 ，取 4 ． 7 m；叼为支撑效率 ，取 0 ． 9 8 。 对以上计算结果进行数字 圆整 ，同时考虑立柱 的合理缸径和安全阀开启压力，确定额定工作阻力 F 9 3 0 0 k N。为 了进一步提 高支架 的安 全可靠性 ， 最终确定支架工作阻力为 1 0 8 0 0 k N。 4结 论及 建议 1 在通常开采条件下 ，王家塔煤矿 5 ． 5 m液 压支架 支 护强 度 为 1 ． 0 5～1 ． 1 MP a ，工作 阻 力为 9 3 0 0 k N，可满足年 产 5 ． O Mt的要求 ，考虑 一定 的 富裕系数 ，确定支架工作阻力为 1 0 8 0 0 k N。同时在 支架设计时应优化结构，提高其结构可靠性。 2 应尽量减小掩 护梁长度 ，增大掩 护梁水 平 面夹角 背角 ， 减小掩 护梁在水平线上 的投影 下转 8 1页 6 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 蓝 航等焦坪矿区覆岩破坏规律及致灾研究 2 0 1 0年第5期 充分采动条件 ，但 由于砾岩整体性强，抗压及抗拉 强度均较大 ，采后不易冒落下沉，导致第 2层砾岩 与其下方岩层产生离层空间，巨厚砾岩层形成板状 悬空岩梁 ，砾 岩层原来 的应力状态发 生改变 由 受压变为受 拉 ，一旦 拉应 力超过 其抗拉 极 限强 度 ，巨厚砾岩层将发生断裂垮落 ，巨厚砾岩层断裂 能量巨大 ，冲击性强 ，不但容易诱发矿震 ，在工作 空间形成 冲击波 ，而且容易对下部煤岩体产生冲击 载荷 ，从而构成 4 2煤层发生 冲击矿压的力源。 4灾害防治措施 巨厚砾岩 的失稳条件 ，主要可从 3个 方面 人 手 ，制定焦坪矿区动力灾害的防治措施 一是提高 区段煤柱的极限强度，保证煤柱的稳定 ；二是提高 煤柱 自身抵抗 流变能力 ，减小 蠕变 ；三是 防止 大的冲击矿压对煤柱的破坏 。具体措施如下 1 增大煤柱宽度以提高煤柱的极 限强度。 2 提高煤 柱抵抗流变 能力 ，可 以提高煤体 的黏滞系数 ，控制煤体的软化系数 ，减小顶板刚度 和增大煤柱宽度 。 3 改善 围岩应力分布状况 和弹性能集 中程 度 ，可对坚硬顶板进行爆破或注水等预处理 ，防止 采空区出现悬顶而积聚弹性能 。 上接 3 4页 相差不大 ，在煤柱 为 3 5 m 时，回撤通道 的塑 性破 坏严重 ，煤柱大部分出现塑性破坏 ，大巷的变形破 坏严重。所 以，煤柱 留设 5 0 m 是合理 的 ，3 5 m 时 大巷不稳定 ，6 5 m时则造成煤炭资源的浪费。 [ 参考文献] [ 1 ]徐永圻 ．煤 矿开 采学[ M]．徐 州 中国矿 业大 学 出版 社 ， 1 9 9 9 ． [ 2 ]钱呜高， 石平五．矿山压力与岩层控制 [ M]． 徐州 中国矿 业大学 出版社 ，2 0 0 3 ． ≯ p ≯ p ≯ ≯ ＼ 4 预防巷道 冲击矿压 ，防止 冲击矿 压对煤 柱形成动载破坏 。可采用高强 度锚杆加强巷 道支 护 ，以提高巷道抵抗冲击能力 。 5 开展大 范 围覆岩活动监 测 ，对 冲击矿压 进行预测和预防，如采用微震手段监测 巨厚砾岩的 活动。 5结束语 铜川矿务局在焦坪矿区目前采用的留设 区段大 煤柱的方法有效地控制了覆岩大面积活动范围，从 而保证了巨厚砾岩层的整体稳定。在留设区段大煤 柱的部分开采条件下 ，焦坪矿区巨厚砾岩层 的稳定 将取决于区段大煤柱的稳定。对于灾害的防治措施 要从提高煤柱稳定性考虑。 [ 参考文献] [ 1 ]王旭春 ，黄福 昌，张怀新 ，等 ． A ． } t 威尔逊煤 柱设计公 式探 讨及改进 [ J ]．煤炭学报 ，2 0 0 7，2 7 6 6 0 4 - 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2 ． [ 责任编辑 张银 亮] 8 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m