浅埋煤层链悬拼梁式液压支架应用研究 -.pdf

煤炭工程 2 0 1 3年第 9期 d o i 1 0．1 1 7 9 9 ／c e 2 01 3 0 9 0 2 5 浅埋煤层链悬拼梁式液压支架应 用研究 邵小平 ，史建君 ，石平五 I ．西安科技大学 地质资源与地质工程博士后流动站，陕西 西安7 1 0 0 5 4； 2 ．西安科技大学 能源学院，陕西 西安7 1 0 0 5 4 ； 3 ． 陕西省地方电力 集团 有限公司泾渭供电分公司，陕西 西安7 1 0 2 0 0 摘 要 针对浅埋 坚硬顶板赋存特征煤层房柱式开采过程 中资源浪 费严重 ，工作面采 出率普 遍低 于5 0 ％的实际情况，重点对壁式工作面正常开采与强制放顶两种情况下支架的 支护强度进 行 了模拟研究，表明强制放顶状 态下支架的支护强度显著降低 。现场工业性试验 中采用链悬拼梁 式液压支架能够较好地适应强制放顶开采过程 中顸板岩层的矿压显现。 关键词浅埋煤层 ；支护强度 ；链悬拼 梁式液压支架；强制放顶 中图分类号T D 3 5 5 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 3 0 9 - 0 0 6 8 - 0 4 St u d y o n Ap pl i c a t i o n o f Hy d r a ul i c Po we r e d S up po r t wi t h S us pe n de d C h a i n S p l i c i n g Be a m t o M i n i n g i n S h a l l o w De p t h S e a m S H A O X i a o p i n g ，S H I J i a n j a n ，S H I P i n g w u 1 ． P o s t D o c t o r a l M o b i l e R e s e a r c h C e n t r e o f G e o l o g i c a l R e s o u r c e s a n d G e o l o g i c a l E n g i n e e ri n g ， Xi a n Un i v e r s it y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Xi a ll 71 0 05 4， C hina ； 2． Sc h o o l o f En e r gy ， Xi a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy ， Xi a n 71 0 0 5 4， Ch i n a； 3 ． J i n g w e i P o w e r S u p p l y B r a n c h ，S h a a n x i R e g i o n a l E l e c t ri c P o w e r G r o u p C o r p o r a t i o n L i mi t e d，Xi a n 7 1 0 2 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t A c c o r d i n g t o t h e a c t u a l c o n d i t i o n o f t h e r e s o u r c e s s e r i o u s l y w a s t e d a n d t h e mi n i n g r a t e o f t h e c o a l mi n i n g f a c e g e n e r a l l y l o w e r t h a n 5 0 ％d u ri n g t h e r o o m a n d p i l l a r mi n i n g p r o c e s s i n s e a m wi t h t h e s h all o w d e p t h a n d h a r d r o o f d e p o s i t f e a t u r e s ， a s i mu l a t i o n s t u d y w a s c o n d u c t e d o n t h e s u p p o r t i n t e n s i t y o f t h e p o w e r e d s u p p o rt u n d e r t h e n o r ma l c o a l mi n i n g a n d t h e f o r c e d r o o f c a v i n g o f t h e l o n g w a l l c o a l mi n i n g f a c e ． T h e s u p p o r t i n t e n s i t y o f t h e p o we r e d s u p p o rt u n d e r t h e f o r c e d r o o f c a v i n g c o n d i t i o n wa s o b v i o u s l y r e d u c e d ． T h e s u s p e n d e d c h a i n s p l i c i n g b e a m t y p e h y d r a u l i c p o w e r e d s u p p o rt a p p l i e d t o t h e s i t e i n d u s t rial t r i al c o u l d b e w e l l s u i t a b l e f o r t h e mi n e r o o f s t r a t a p r e s s u r e b e h a v i o r d u r i n g t h e f o r c e d r o o f c a v i n g mi n i n g p r o c e s s ． T h e s t u d y w o u l d h a v e g o o d r e f e r e n c e s a n d p r o mo t i o n s i g n i fi c a n c e s ． Ke y wo r d ss h a l l o w d e p t h s e a m ； s u p p o r t i n t e n s i t y ； h y d r a u l i c p o we r e d s u p p o r t wi t h s u s p e n d e d c h a i n s p l i c i n g b e a m ； f o r c e d r o o f c a v i n g 陕北矿区大开发初期为了支持地方经济的发展，曾在 一 些区域划分了地方煤矿开采区，最初井型很小，大都采 用旧房柱式开采。近年来经过关停非法小煤窑、资源整合 ， 地方中小煤矿产能已经发展至 0 ． 3 Mt ／ a以上，但其采煤方 法没有得到根本解决 。中国陕西北部矿区大量存在的 中小煤矿房柱式开采后带来的一个直接后果是采出率偏低， 绝大部分矿井工作面采出率不到 5 0 ％，造成宝贵煤炭资源 的极大浪费 J ，采用机械化开采势在必行。但地方中小矿 井受井田面积、资源储量及井型的限制，没有能力或必要 采用选择高阻力液压支架的综采方式 ，配以强制放顶措施 的链悬拼梁式液压支架 可作 为一种有 效的支架选择方式 。 1 模型建立与模拟设计 1 。 1 工作 面概 况 神木县店塔镇石岩沟井田地表大部分为第 四系黄土所 覆盖 ，仅在矿区南部沟谷中出露有延安组第 四段 ，井田地 层由下至上分别为三迭系上统永坪组、侏罗系下统富县组、 侏罗系中统延安组、第三系上统三趾马组和第四系松散层。 整个区域构造位置位于鄂尔多斯盆地次级构造单元陕北斜 坡边缘，矿区构造为一走向北东，倾向北西，倾角小于 1 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 91 5 基金项目陕西省教育厅科研计划项 目资助 1 2 J K 0 7 8 3 ；科技部国际合作项目资助 2 0 1 2 D E G 7 1 0 6 0 作者简介邵小平 1 9 7 2一 ，男，江苏宜兴人，副教授，主要从事岩层控制方面教学与研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年 第 9期 煤炭工程 的单斜构造，地面地质资料及井下探采结果未发现较大规 模断裂及褶皱，无岩浆活动痕迹，构造简单。 井田可采 2 ～、3 及 5 煤层 ，大部分地段煤层厚度 大于2 ． 0 m，其范围呈圆形分布于井田中部及西南部，并向 东减薄，至东南角最薄。试验工作面位于 2 煤层，为一结 构简单的稳定型 中厚煤层，煤层厚度 2 ． 2 1～2 ． 4 3 m，平均 2 ． 2 3 m。工作面原采用 “ 间歇式”开采方式，面临工作面 频繁搬家，单体柱支护不稳易发生顶板事故的状况。现拟 采用链悬拼梁式液压支架全部垮落法处理顶板的炮采采煤 方法 ，配以合理的强制放顶措施 J ，以期大幅提高工作 面采 出率 ，为此需首先对选 用支架的支护强度进行分 析。 1 ． 2模 型建 立 实验在西安科技大学陕西省岩层控制重点实验室进行 ， 采用 自行研制 的 5 m平 面模拟架 ，长度 5 m，宽度 2 0 m m。根 据相似材料模拟实验的要求，模型材料 以河沙作为骨料 ， 石膏、碳酸钙作为胶结材料 ，和水按一定 比例配制而成 ， 分层铺设 于模型架 中，层与层之 间撒人云母粉模拟层面。 为 区分不 同的岩层 ，按各 岩层 的颜 色在 配置材 料 时适量 加 入色浆。模型建立完毕后如图 1 所示。 图 1 模型整体视 图 1 ． 3模 拟设 计 模型建立完毕后，以模型中间为界，将模 型分为左右 两个工作面，中间留3 0 m煤柱，分别模拟非强制放顶与强 制放顶情况下两个工作面支架能够保证正常移架时的工作 面支护强度 。 2 模拟过程及支护强度分析 相似模拟时，以模拟支架 1和 2模拟工作面支架连续 推进 ，支架 1 、2宽 2 c m，长2 0 e m。模拟中数据采用应变仪 采集 ，通过加载标定支架 ，对测得数据进行回归分析，得 到2个模拟支架的应变与载荷回归方程分别如下 y 】 9 9 ． 9 0 x 0 ． 0 2 2 8 ， 一 0 ． 0 2 2 8 ／ 9 9 ． 9 0 y 2 9 9 ． 6 9 x1 ． 0 6 8 3 ， 一1 ． 0 6 8 3 ／ 9 9 ． 6 9 式中Y 中的 1 、2表示支架传感器应变值； 表示支 架载荷 。 模型中根据冒落岩层的高度计算支架的载荷为 0 ． 9 6～ 1 ． 2 8 k g 。正常回采支架 的初撑力应变值 为 6 0，计算载荷 0 ． 6 k g ，为最小载荷的6 2 ． 5 ％ ；强制放顶支架初撑力应变值 为 1 0 0 ，计算载荷 1 k g ，为最大载荷的 7 8 ． 1 ％。 模拟过程中，正常开采情况下工作面在 1 7 8 m推进过程 中共经历9次周期来压，平均来压步距 1 4 ． 2 m；强制放顶 情 况下工作面在 1 7 2 m推进过程 中共经历 6次周 期来压 ，平 均来压步距 1 7 ． 7 m。正常开采情况下工作面来压增载系数 均值为2 ． 2 6，强制放顶情况下工作面来压增载系数均值为 1 ． 3 3 。正常开采情况 下周期 来压 时 易发生 切顶 现象 ，切顶 来压时动载系数较大，支架支护强度不够时，易将支架压 死 ；强制放顶情 况下 ，周 期来 压时均 没有发 生岩层 沿顶 板 切落现象 ，说明合理的强制放顶措施可削除岩层沿煤壁切 落 的顶板事故 发生 。 正常 回采时支架 的初 撑力 9 3 6 ． 6 k N，支架载荷分 布与支 护强度瞳线如图 2 a 所示。强制放顶 回采期间支架初撑力 1 5 6 1 ． 3 k N，支架载荷分布与支护强度 曲线如图 2 b 所示 。 时 星 疆 工作面推进距离／ m a t常回采工作面支架支护强度 曲线 工作面推进距离／ m b 强制放顶工作面支架支护强度曲线 图 2 正常回采与强制放顶情况下支架支护强度 曲线 根据模拟实验结果数据分析表明 1 对于支架合理的支护强度，正常回采情况下，工作 面来压支架的支护强度超过 0 ． 7 M P a ，如果支架的支护强度 小于0 ． 7 MP a ，回采期 间，工作面来压支架有被压死的危 险，工作面装备支架的支护强度应不小于 0 ． 8 M P a ；强制放 顶条件下，工作面正常回采期间支架 的支护强度不大于 0 ． 7 M P a ，工作面装备支架的支护强度应不小于0 ． 7 MP a 。 2 对于支架的延米工作阻力 ，按支架长度 4 m考虑， 正常回采情况下，工作面装备支架 的支护强度应不小于 0 ． 8 MP a ，则延米工作阻力应不小于 3 2 k N；强制放顶条件 下，工作面装备支架的支护强度应不小于 0 ． 7 MP a ，则延米 工作阻力应不小于 2 8 0 0 k N。 3链悬拼梁式液压支架的应用 借助模拟试验研究结果，并详细分析该地区煤层情况 6 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 3年第 9期 和各类支护设备的性能，石岩沟煤矿最终采用链悬拼梁式 液压支架一次采全高全部垮落法处理顶板的采煤方法进行 2 I 2 煤层开采。链悬拼梁式液压支架如图3所示。该支架支 护高 度 1 6 0 04 0 0 0 m m，支架 宽 度 1 2 0 0 m m，顶 梁 长 度 3 1 6 0 m m，支架中心距 1 2 5 0 mm，初撑力 3 4 0 0 k N，支护阻力 4 2 o o k N 图 3 链悬拼梁式液压支架图 1 1 1 1 1 1 具体特征如下 1 达到初撑力功能。支架中心距可有 1 ． 2 5 m，移架时 以邻架 为根 基 ，用链 条 悬 吊顶 梁前 移 ，换 链 后 可 一次 过 0 ． 5 m以下的断层。此项措施是保证所有支柱支撑时都达到 初撑力的关键点 。 2 护顶、切顶。将顶梁分为大、小两个 ，普通小支护 阻力的支柱支在大顶梁下 ，大支护阻力的切顶墩柱支撑在 小顶梁上。采用以小支撑力护顶，以大支撑力切顶的技术 成功解决了 “ 护⋯ ‘ 切”两难的问题。 3 锁架功能。顶梁的前、后、左、右各方 向都有油缸 顶紧并用 阀锁 住。在顶 空时 ，或在 支柱 卸荷 的情况 下仍 能 在前后和左右方向分别抗住 3 0 t 和 2 0 t 的水平力。此外锁架 功能可保证支架在 4 m大采高和 4 5 。 大倾角下支架 的稳定 性 。 4 调架移架。该支架带调架装置 ，在推进过程中可操 纵支架改变前进方向。在有倾角的工作面，更可横向移架 ， 解决了支架越走越往下山方向挤的问题，大大减少了调架 时间。 4 现 场测试 2 煤层 试验 工作 面，煤 层厚 度 2 ． 02 ． 3 m，平均 2 ． 1 2 m。工作面采用链悬拼梁式液压支架全部垮落法处理顶 板的炮采采煤方法。工作面长度 8 8 m，沿走 向推进距离 8 0 0 m。试验工作面采用 Z H 4 2 0 0 ／ 1 7 ／ 2 5 L P型链式拼梁型液 压支架支护，共布置 6 8架。 现场强制放顶过程中，工作面最初在采位 1 0 m、1 5 m、 2 1 m、4 0 m、5 3 m处经过 5次强制放顶 ，顶板无来压迹象。 在采位 6 6 m处经深孔密集第 6次强制放顶 如 图4所示 ， 8 8 m长工作面布置 5组密集深孔 ，每组 3个，孔的仰角 7 0 分别是8 0 。 、6 0 。 、4 5 。 ，孔深分别是 1 5 m、1 3 m、1 l m，强放 后工作面初次来压。 j 孔长 1 5 m 2 图 4 第六次 强制放顶 示意 图 工作面从采位 7 0 m开始，工作面中部顶板随着移架 自 行垮落，高度在 6～1 0 m 移两次支架顶板垮落一次 ，一般 悬顶长度都不超过3 m，但是工作面两个端头顶板不自行垮 落，仍然打深孔强制放顶，移 5次支架放一次端头顶板， 各打2～3 个孔，其深度为 1 0 m，角度分别是 1 5 。 、3 0 。 。试 验工作面采出率在9 0 ％以上 ，整个推进过程正常。 整个 试 验 工 作 面 实 测 最 大 工 作 阻 力 平 均 值 为 1 7 0 1 ． 2 k N ／ 架 ，此值相当于额定工作阻力的4 0 ． 5 ％，其最大 值出现在当工作面推进至 6 7 m位置，此处工作面上部 4 支 架初次来压时的压力显现值为 3 6 7 5 ． 1 k N ／ 架。工作面最大 工作阻力在排除强制放顶对个别支架的强烈冲击影响后均 没有超过额定值，说明该工作面所选支架可以充分支撑顶 板。整个工作面时间加权平均阻力平均值为 1 4 5 7 ． 9 k N ／ 架 ， 此值 相 当 于 额 定 工 作 阻 力 的 3 4 ． 7 ％，其 最 大 值 为 2 8 5 0 ． 8 k N ／ 架，相当于额定工作阻力的6 7 ． 9 ％，出现在上部 测站，当工作面推进到 6 7 m，处于初次来压时。由此看来 ， 此支架在工作面的应用有较大富裕。 现场测试表明，试验工作面采用链悬拼粱式液压支架 大幅提高了工作面采出率，改变了工作面作业环境 ，消除 了矿井大面积冒顶 的不安全隐患，与房柱式开采相比有极 大的优越性。工业性试验过程中，在有效强制放顶作用下， 支架经受住了初次来压的冲击 ，周期来压时运行稳定，说 明石岩沟煤矿采用链悬拼梁式液压支架一次采全高全部垮 落法处理顶板的炮采采煤方法可行。 5 结论 1 相似材料模拟实验表明强制放顶情况下支架的支护 强度显著降低。 2 链悬拼梁式液压支架具有柔性连接、分顶、锁架及 调架功能，该类支架配以强制放顶措施，可以较好地适应 浅埋坚硬顶板赋存特征煤层壁式开采的需要。 下转第 7 4页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 3年第 9期 分析可以看出，由于采动的影响，在工作面前方的岩 层出现应力集中现象。对于有断层影响的情况时，工作面 前方岩层的最大竖 向应力 比无断层存在的情况要大得多， 且随着梯形断层下底宽的增大，应力集 中程度越来越高， 并且应力集中现象在岩层中出现的位置越来越靠近工作面。 在断层所在的位置附近的岩层，其竖向应力明显要低于无 断层存在时该处岩层的竖向应力，经过断层后，岩层竖向 应力又出现了应力集中现象，此时应力集中现象在岩层中 出现的位置，随着下底宽度的增大，越来越远离工作面。 当过断层一定距离后 ，岩层的竖向应力趋于常态，有断层 影响和无断层影响下，岩层的竖向应力基本相同。 4结论 1 由于受采动的影响，采区工作面顶板前方岩层中出 现应力集中现象，且在有断层影响的情况下，采区工作面 顶板前方岩层中应力集中程度要比无断层影响下大得多。 2 不同带宽断层影响下，采区工作面顶板的最大下沉 值要大于无断层时采区工作面顶板的最大下沉值。随着断 层带宽的增大，采区工作面顶板的最大下沉值逐渐增大， 与此同时采 区工作 面顶板前方岩层中应力集 中程度逐渐 增 大。 3 不同上底宽的梯形断层，对采区工作面顶板最大下 沉值均有不同程度的影响，随着梯形断层上底宽度的增大， 采区工作面顶板的最大下沉值在逐渐增大，此同时采 区工 作面顶板前方岩层中应力集中程度逐渐增大。 4 不同下底宽的梯形断层，对采区工作面顶板最大下 沉值均有不同程度的影响，随着梯形断层下底宽度的增大， 采区工作面顶板的最大下沉值在逐渐增大，与此同时采区 工作面顶板前方岩层中应力集 中程度逐渐增大，且其在岩 层中出现的位置逐渐靠近采区工作面。 、 上接 第 7 O页 3 链悬拼梁式液压支架在陕北浅埋坚硬顶板 中厚煤层 的成功应用，改变了神木地区中小煤矿原有落后 的采煤方 法与支护方式，极大地提高了工作面的采出率和改善了工 作面顶板条件，为整个陕北地区中小煤矿采煤方法及支护 方式的改革做了有益的探索。 参 考文献 [ 1 ] 郭惟嘉 ，陈绍杰 ，李法柱．厚松散层薄基 岩条带法 开采采 留 尺度研究 [ J ] ．煤炭学报， 2 0 0 6 ，3 1 6 7 4 7 ～ 7 5 1 ． [ 2 ] 张嘉凡 ，石平五．浅埋煤层长壁 留煤柱开采方法的有限元 分 析 [ J ] ．岩 石 力 学 与工 程 学 报 ，2 O 0 4，2 3 1 5 2 5 3 9～ 2 5 4 2． [ 3 ] 石平五 ，长孙 学亭 ，刘 洋．浅埋煤 层 “ 保水采 煤 ”条 带 开采 “ 围岩煤柱群”稳定性分析[ J ] ．煤炭工 程， 2 0 o 6 ， 8 6 8～ 7 0 ． 7 4 参考 文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0] [ 1 2 ] [ 1 3 ] 胡戈．综放开采断层活化导水机理研究 [ D] ．徐州 中 国矿业 大学，2 o o 8 ． 周志海．浅谈 断层及其 对开采影 响的分析方法[ J ] ．今 日 科苑 ，2 0 0 9 ， 1 3 ． 孙启生．浅谈 断层对巷 道掘进 的影 响及对 策 [ J ] ．煤炭 技 术 ，2 0 0 3 ， 1 2 ． 谢启东．断层 区域构造应力 场特征及 其对隧道 围岩稳定 性 影响分析 [ D] ．长沙 中南大学 ，2 0 1 0 ． 钱呜高 ，茅献彪 ，缪协 兴．采动覆岩 中关键层 的破断 规律 研究 [ J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 8 ， 2 7 1 3 9～ 4 2 ． 于光明 ，谢和平 ，杨仑 ，等．采动 断层活化 分形界 面效 应 的数值模拟研究 [ J ] ．煤炭学报 ，1 9 9 8 ，2 3 4 3 9 6～ 3 9 9． 钱鸣高，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 ． 吴洪词．长壁工 作面 基础板结 构模 型及其来 压规 律 [ J ] ． 煤炭学报 ，1 9 9 7，2 2 3 2 5 9～2 6 4 ． 钱 鸣高 ，缪 协 兴 ，许 家林 ，等 ．岩层 控制 的 关键 层 理论 [ M] ．徐州 中国矿业 大学出版社 ，2 o o 3 ． 王 占银 ，侯树宏 ，张伟．大采高 综采工作 面矿压 显现规 律 研究 [ J ] ．煤 炭工程 ，2 0 1 1 ， 1 4 1～ 4 3 ． 付玉平 ，宋选 民，邢平伟．浅 埋煤层大 采高超 长工作 面垮 落带高度的研究 [ J ] ．采矿与安全工程学报，2 0 1 0 ，2 7 2 1 9 0～1 9 4 ． 侯忠杰 ，张杰 ．厚松散层 浅埋煤层覆 岩破断 判据及跨 距 计算 [ J ] ．辽 宁工程技术 大学学报 ，2 0 0 4，2 3 5 5 7 7～ 5 8 0． 黄庆享 ，钱呜高 ，石平五．浅埋煤 层采场 老顶周期来 压结 构分析 [ J ] ．煤炭学报 ，1 9 9 9，2 4 6 5 8 1～ 5 8 5 ． 责任编辑郭继圣 [ 4] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 、 g 腐 、 席 、 、 g 王双明 ，范立 民，杨宏科．陕北煤炭资源可持续发展之开发 思路 [ J ] ． 中国煤 田地质 ，2 0 0 3，1 5 5 6～1 1 ． 黄艳利 ，张吉雄 ，巨峰 ，等 ．浅埋煤层悬移顶梁支架机采 面矿压规律研究 [ J ] ．能源 技术 与管理 ，2 O 【 9， 4 7～ 1 1 ． 张文军 ，沈海鸿 ，蔡桂 宝．浅埋煤层 开采覆岩移动规律数值 分析 [ J ] ．辽宁工程技术大学学报，2 o 0 2 ，2 1 2 1 4 3～ 1 4 5 ． 高 召宁，石平五 ，姚令侃．中小煤矿在浅埋薄基岩下开采灾 害防治研 究 [ J ] ． 采矿 与安 全 工 程 学报 ，2 0 0 6，2 3 2 21 0～2 1 4． 刘洋 ，党西峰 ，吕文宏 ．浅埋煤层开采顶板移动规律及强 制放顶技术 [ J ] ．煤炭科学技术 ，2 0 0 8，3 6 1 0 5 9 ． 宫世文 ，张荪茗 ，孙震．深孔 预裂爆破强制放顶技术 的应 用 [ J ] ．煤矿安全，2 o o 8 ， 3 6 1 0 5～ 9 ． 责任编辑郭继圣 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m