兖州矿区综放面端头及两巷超前液压支架研制与应用.pdf

第1 5卷 第3期 总第9 4期 2 0 1 0年 6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 0 ． 3 S e ri e s N o ． 9 4 J u n e 2 01 0 兖州矿 区综放 面端头及两巷超前 液压支架研制 与应用 张崇宏 究矿集团有限公 司，山东 邹城 2 7 3 5 0 0 [ 摘要] 针对综放工作面端头及两巷采用传统单体支柱支护方式所存在的安全与效率问题， 兖矿集团研发了成套综放工作面端头及两巷超前支护液压支架，从而实现了综放工作面端头及两巷超 前支护 的机械 化。阐述 了该项技术所包括 的端头及两巷超 前支 护液压支 架的设 计要求、结构特点 、试 验 与改进途径。并就应用推广前景做 了分析。 [ 关键词] 超前支护；液压支架；结构特点；试验 [ 中图分类号]T D 3 5 5 ． 4 6 [ 文献标识码]B [ 文章编号]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 mo 0 3 - 0 0 8 0 - 0 2 De v e l o pme n t o f App l i c a t i o n o f He a d a nd Ad v a nc e d Po we r e d Su p po r t i n Fu l 1 ． me c ha n i z e d Ca v i n g Fa c e o f Ya nz h o u M i ni n g Ar e a 综放工作面端头区及两巷超前支护是影响综采 放顶煤工作面能否实现安全高效开采的一个关键因 素。在兖州矿区，综放工作面端头及两巷的超前支 护传统上普遍采用十字金属铰接顶梁 或一字梁 配合单体液压支柱进行支护 。因该处应力状态复 杂 、巷道变形严重 ，致使支护难度大 、用 工耗 时 多 、安全状况差 ，同时因超前支护距离长、劳动强 度大 、工作环境差 ，导致生产受影响、工作面单产 降低。虽然综放面的装备水平能力很高，但是以单 体支柱为主的支护方式增大了回料工作 的危险性 ， 给综放工作面 的高效推进和安全管理带来一定 困 难 ，同时降低了端头及两巷超前支护区的机械化程 度 ，成为综采放顶煤机械化开采技术的薄弱环节。 研究开发机械化 、高效率、更安全的新型端头及两 巷液压支架 ，实现端头支架及两巷超前液压支架支 护与工作面大功率装备的全面配套是必要的。 1 综放面端头及两巷超前液压支架的设计 兖州矿区综放工作面两巷的矿压特点与锚 网支 护参数 实体煤巷道 运输巷 受工作面超前支 承压力影响范围 2 5～ 3 8 m，平均 3 0 m，影响高峰区 距煤壁 l O re以内；沿空巷道 轨道巷受工作面 超前支承压力影响范 围 8 0～1 5 0 m，一般 为 1 1 0 m， 影响高峰区距煤壁 4 0 m以内，顶底 板移近量累计 为 4 0 01 2 5 0 mm，平均达 1 0 5 0 mm，两帮移近量累 计为 6 0 0～ 2 5 0 0 m m，平均达 1 5 0 0 ra m。运输巷断面 规格一般为微梯形 ，巷道上净宽 4 0 0 0 ra m，下净宽 4 4 0 0 ram，净高 3 0 0 0 m m，采用锚网索联合支护 。沿 空轨道巷断面规格为微梯形 ，上净宽 4 0 0 0 mm，下 净宽 4 6 0 0 ra m，高 3 0 0 0 ram，锚网索联合支护。 设计端头及两巷超前支护液压支架的主要技术 要求 1 端头及两巷超前支护液压支架能够适应 支护断面尺寸的变化，有效地维护工作面端头及两 巷的断面空间；护帮、护巷效果好、能有效控制巷 道变形 ，确保足够的行人和运输空间。 2 按照 端头液压支架技术条件要求， 端头支架具有切顶能力强 ，支架应保证工作面巷道 出口高度 1 ． 8 2 ． 4 m，人行通道宽度不低于 1 ． 2 m 。 3 支架动作灵活轻便 ，能够和工作面其他 设备有效协调配合 ，拉移动作快速便捷。 4 机械化程度高 ，操作简便 ，取 消繁重体 力劳动。 5 支架结构简单 ，性能可靠。 6 支架设计工作阻力高、支护面积大、强 度高 ，对顶板支护能力进一步增强 。 7 支架与综放设备配套可满足年产 3 6 Mt 产量的要求。 8 能在各种 条件下顺利拉架 ，特别是 当无 法进行正规循环时 ，采煤机冷却水 、降尘水以及采 空区的大量淋水都会积聚在下端头处 ，造成移架困 难 ，要求支架具有较大的拉架力 ，设计推移千斤顶 的拉架力不小于端头支架总重量的 3倍 ，顶梁要设 置调架装置。 9 支架推移机 构的推力应大 于 1 ． 3倍 的拉 架力 ，以克服推移过程中所遇到的各种阻力之和。 [ 收稿 日期 ]2 0 1 0 - 0 4 2 8 [ 作者简介] 张崇宏 1 9 6 4 一 ，男 ，山东胶南人 ，高级 工程师 ，综机管理中心总 工程师 ，多年从事综 采掘装备管理和技术研究工作。 8 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张崇宏 兖州矿 区综放 面端 头及 两巷超前液压 支架研制与应用 2 O l O年第 3期 1 0 支架 的服务年限要超过 7 a ，大修周期达 到 3 a 。 1 1 支架应 与 工作 面 的地 质 条件 、巷道 尺 寸、配套设备等相适应 ，具有方便使用 的性能。 1 2 要保证较大 的无立柱空问，以保证端头 处设备 的正常运转及顺利前移。 1 3 在设备的设计 、制造和使用性能上 ，总 体达到国际领先水平 。 研制所遵循 的原则 综放工作面端头及两巷超 前液压支架 的研究与制造遵循逐步改进与完善的原 则 。首先是研制适用 于条件较好 的综放工作面实体 煤运输巷端头及两巷超前支护液压支架 ；之后是研 制支护强度提高 、支护空问扩大的综放工作面轨道 巷端头及两巷超前支护液压支架 ；最终研制出了适 用范围涵盖兖州矿区的系列成套综放工作面端头及 两巷超前液压支架 。 2 端头及 两巷超前支架结构特点与主要技术参数 2 ． 1 运输巷端头及超前支护液压支架 通过设计与结构力学计算 ，在系列 型式型号运 输巷端头及超前支护液压支架研制与工业性试验的 基础上 ，通过不断改进在工业性试验过程 中暴露出 的各种问题 ，完成 了对较为完善 的 Z T 2 4 5 0 0 ／ 1 8 ／ 3 5 型综放工作面实体煤运输巷超前支护液压支架的研 制研发 。支架的结构型式为二架型三组合左右迈步 式。由超前支架 、端头支架组成。其中，超前支架 2架 ，为六柱两架一组结构 ；端头支架 1架 ，为八 柱两架一组结构 ，前带铰接前梁形式。超前支架设 计成六柱结构 ，结构紧凑 ，受力均匀 ，四连杆加单 摆杆机构 ，确保 了支架 的稳定性 ，顶梁配置与推移 步距相适应的调架千斤顶 ，有效防止了左右倒架并 确保顺利移架。端头支架设计成八柱结构 ，顶梁亦 配置了调架 千斤 顶 ，铰接 顶梁带 铰接前梁结 构形 式 ，提高了对顶板的适应能力和支撑能力。该架型 整架 工作 阻力 达到 2 4 5 0 0 k N，支 护 高度 为 1 ． 8～ 3 ． 5 m，支护长度 约为 3 2 m，其 中超 前支护长 度约 为 2 1 ． 3 m，适用于综放工作 面实体煤运输巷端头及 超前支护。 2 ． 2 沿空轨道巷超前支护液压支架 该型综放工作面端头及沿空轨道巷超前支护液 压支架的结构形式为四架型八组合左右迈步式。包 括端尾支架 1 架 、端头支架 Ⅱ型 1 架 、端头支架 I 型 2架 、超前支架 3架和锚固支架 1架 ，除端尾支 架为支撑掩 护式 以外 ，其余支架 均为 2架 1组架 型，互换性提高。锚 固支架同端头支架 I 型架型相 同，均为四柱支撑 ，结构简单 ，可以互换使用 ，并 且可以根据巷道的支护需要任意组合 ，调整超前支 护的长度 ，支护长度约 6 5 ． 5 m，其 中超前支护长度 为 5 8 ． 8 m。超前支架设计 成八 柱结 构 ，受力均匀 ， 四连杆加单摆杆机构 ，确保了支架的稳定性。端头 支架 Ⅱ型的顶梁前后均带铰接前梁 ，靠近端尾三角 区域 的前梁 ，不用时可以拆掉 ，增加了端尾三角区 域内对顶板的适应性 。端尾支架设计成六柱支架 ， 铰接顶梁带铰接前梁结构形式 ，提高了对顶板的适 应能力和支撑能力。锚固支架和超前支架的推移行 程满足 2个推移步距要求 ，减少了对顶板的反复支 撑次数 ，且顶梁和底座都配置 了与 2个推移步距相 适应的调架和调底千斤顶 ，有效 防止左右倒架和底 座 内收 ，确保顺利移架和行人空问。端头支架 I 型 和端头支架 Ⅱ型推移行程满足 1个推移步距要求 ， 配合工作面及时移架 ，提高了工作效率 ，且顶梁和 底座都配置了与 1 个推移步距相适应 的调架和调底 千斤顶。该 架 型支架 整体 工作 阻力为 1 0 3 5 0 0 k N， 适宜于综放工作面端头及沿空轨道巷超前支护 ，尤 其对大断面 、大变形 、应力场复杂且应力水平高的 综放沿空轨道巷的控制效果更加 明显 ，结构性能更 趋完 善 。 3综放面端头及两巷超前液压支架工业性试验 系列综放 工作面端头及 两巷 超前支护液压支 架 ，历经 7种架型。先后于 2 0 0 4年 1 2月 ～ 2 0 0 7年 0 6月陆续在兴隆庄煤矿 4 3 0 1综放工作 面、鲍店煤 矿 1 3 1 4综放工作面 、鲍店煤矿 1 3 1 6综放工作面和 兴隆庄煤矿 1 3 0 8综放工作面等现场进行 了井下工 业 性试 验 。 其 中首套 Z T 9 8 0 0 ／ 1 6 ／ 3 0型运输巷端头液压支 架在兴隆庄 4 3 0 1综放 面进行 了工业性试验。该 面 埋藏深度为 2 3 8 ． 0 3～2 9 3 ． 2 2 m。所 采煤层为 3煤 ， 煤层厚度 5 ． 8 5～ 9 ． 4 0 m，平均 8 ． 2 m。煤层倾角 3～ 1 0 。 ，平均 5 。 ，煤层硬度系数． 厂 2 ． 3 。工作面面长 1 7 6 m，推进长度 6 6 7 m，工业储 量 1 ． 3 Mt ，设计采 出煤量 1 ． 0 8 8 Mt ，工作面设计采出率 8 3 ． 7 ％ 。两巷 为锚 网、锚索联合支护。 首套 Z T 8 3 2 0 0 ／ 1 9 ／ 3 5型 综 放 工 作 面 轨 道 巷 沿空端头支架 ，在鲍店煤矿 1 3 1 6综 放面轨道 巷及端部 出口进行了工业性试验。该面埋藏深度为 3 2 0 ． 9 5～3 9 3 ． 7 5 m。3层 煤硬度系数． 厂 3 ． 1～3 ． 9 ， 煤层厚度 8 ． 1 8～8 ． 7 4 m，平均厚 8 ． 5 3 m，煤层倾角 4～1 1 。 ，平均 6 ． 5 。 。工作 面倾斜 长 1 7 0 m，推进长 度 5 4 3 m，工业储量 1 ． 0 6 3 Mt ，设计采出煤量 下转 2 1页 8 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘 洋等 “ 抗 张强度 ” 名词规 范性 与测试 方法控讨 2 0 1 0年第 3期 需在钻孔内压卸除后再一次对钻孑 L 逐渐加压 ，直至 第 1 次加压时使孑 L 壁破裂 的裂纹再次拉开 ，此刻 的 钻孔内压称为重 张压力 ，记为 P ，与主应力 的关 系为 3 0 - 2 0-1 P 1 6 与式 1 5 的区别 是 ，由于裂纹 的重 新拉开 不需要克服煤体抗张强度 ，因此 P 比 P 小 。将式 1 5 与式 1 6 相减 ，得 K 。 P b P 1 7 由式 1 7 可见 ，只要能获得破裂压力 P 和 重张压力 P ，煤体抗张强度 K 。 也就确定了。 2 ． 3测试 方法评 述 在防隔水煤柱的留设计算中，煤层抗拉强度虽 然是最重要的计算参数 ，但是鉴于多种原因及 开采 条件所限 ，目前大多数煤矿均采用经验值或根据室 内测试值进行折减 ，没有原位测试值 ，煤柱留设是 否合理很难保证。因此 ，在矿井生产过程 中，建议 有条件的矿井开展煤层抗拉强度原位测试 ，为煤矿 防隔水煤柱的合理留设提供了科学依据。没有条件 的矿井至少应取煤样进行实验室 内测试 ，以保证防 水煤柱的留设 。 3结论 在煤矿生产及防治水工作 中，经常会遇到导水 断层 、封闭不 良的钻孔 、井 田技术边界防隔水煤柱 的留设及采空区水超前探放超 前距 的确定等 问题 ， 都需要合理留设防隔水煤柱。抗拉强度作为防隔水 煤柱设计 的重要参数 ，准确的确定其值对矿井 的安 全生产和合 理开发煤炭 资源都具有 十分重要 的意 义 。 ．本文研究的主要结论如下 1 对 “ 含水或 导水断 层 防隔水 煤柱 留设 ” 和 “ 掘进巷道底板 隔水 层承受 的安全水 压” 这两 个牵涉到煤的抗张强度计算的受力示意图简化成力 学模型 ，从力学角度 出发推导 出各 自的计算公式 。 2 将力 学模 型推导 出的计算公 式及参数与 规程 中现有公式及参数进行了逐项 比较 ，分析得 出 了规程 中所用 到 的抗 张强 度参 数 实 质 上是 指 的 岩石力 学 中的抗 拉 强度 ，这两个 参数 是 一致 的 ，为了使参数规范化和国际化 ，建议相关专家将 规程 中参数的名称进行修正。 3 对岩石 和岩体的抗拉强度 的测试 方法分 别进行了介绍 ，并对其优缺点分别进行 了评价 ，指 出在防隔水煤柱留设计算过程 中，为了避免或减少 浪费勘探程度极高的煤炭资源 ，各矿区应开展煤层 抗拉强度原位测试 ，为煤矿防隔水煤柱 的合理留设 提供科学依据 。 [ 参 考文献 ] [ 1 ] 国家煤炭 Ⅲ 业局 ．建筑物 、水体 、铁 路及 主要井 巷煤柱 留设 与压煤开采规程 [ M]．北京 煤炭工业出版社 ，2 0 0 0 ． [ 2 ]黄醒春 ．岩石力学简明教程 [ M]．北 京 高 等教育 出版礼 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ]庞迎春 ．煤层抗张强度原位测试研究 [ J ]．煤 炭技 术 ，2 0 0 6 ， 2 5 1 0 1 0 1 1 0 3 ． [ 4 ] 闫立宏 ，吴基文 ．淮 北杨庄煤 矿煤 的抗拉 强度试 验研 究与分 析[ J ]．煤炭科学技术 ，2 0 0 2，3 0 5 3 9 4 3 ． [ 5 ]俞万禧 ，魏善斌 ．巷道 嗣岩应 力及力 学性 质 的套 筒致裂 试验 研究[ J ]．岩石 力学与工程学 报 ，1 9 9 2 ，1 1 2 2 0 0 - 2 0 8 ． [ 6 ] 中华人 民共和 国煤炭工业部 ．矿 井水文地质 规程试行 [ M]． 北京 煤炭工业出版社 ，1 9 8 4 ． [ 7 ] 国家煤炭工业局 ．岩石力学[ M]．北 京 煤 炭工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 8 ]孙广忠 ．岩体力学基础 [ M]．北 京 科 学出版社 ，1 9 8 3 ． [ 9 ]李先 炜 ．岩 块 力 学 性 质 [ M]．北 京煤 炭 工 业 出版 社 ， 1 9 8 3 ． [ 责任编辑 邹正 立] 上接 8 1页 9 0 3 ． 6 k t ，工作面设计采 出率 8 5 ％。 系列工业性试验 中，研制的各型端头及超前支 护液压支架所存在的主要 问题是 前期研制的架型 有倒架 、拉移千斤顶弯曲、内架与外架工作面不互 换 、支架移动 和电缆水管 移动相互 干涉 、立柱涨 缸 、锚固装置易跑偏 、端尾支架的支护强度与切顶 力不足等现象 。在 阶段性成果及持续改进 过程 中， 支架结构性能逐步实现了与工作面设备的总体协调 配套 。最终形成了适应兖州矿区综放工作面煤层赋 存条件和安全高效生产要求 的 Z T 2 4 5 0 0 ／ 1 8 ／ 3 5型运 输巷端头 及超 前支 护液压 支架 ，Z T 1 0 3 5 0 0 ／ 2 2 ／ 3 8 型沿空轨道巷端头及超前支护液压支架 。 4结论 试验与应用实践证明，端头及两巷超前支护液 压支架左 右迈步式结 构设计合 理 ，操作 与维护方 便 ，支护强度高。与工作面过渡支架、中间支架 、 前后部刮板输送机 、采煤机、转载机等设备的总体 配套运动关系协调 。实现了综放工作面端头及两巷 超前支护的机械化 。同时，由于该项技术取消了传 统的单体支柱支护方式 ，因而改善 了职工的作业环 境 ，提高了矿井安全高效生产装备水平 。 [ 责任编辑 王兴库 ] 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m