元堡矿综放工作面液压支架使用情况及适应性能研究.pdf

第 1 9卷 第6期 总第 1 2 1期 2 0 1 4年 l 2月 煤矿 开采 C0AL MI NI NG TECHN0L0GY V o 1 ． 1 9 N o ． 6 S e ri e s N o ． 1 2 1 De e e mb e r 201 4 ■医 掘盈 元堡矿 综放 工作面液压支架使 用情况 及适应性能研 究 王 恩鹏 ，马 端志 ，王彪 谋 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 [ 摘要] 运用 K J 3 2 7型矿山压力监测系统、尤洛卡和压力表 3种设备，联合监测元堡煤矿综 放工作面直接顶初次来压、基本顶初次来压和第 1次周期来压过程中矿压显现数据，分析不同工况下 压力显现特点，结合液压支架的具体结构，分析工作面开采过程 中液压支架与外载大小及作用位置， 结果表明元堡煤矿液压支架所承受载荷范围为 6 5 5 01 3 1 1 0 k N，合力位置距煤壁 3 5 0 1～ 5 1 0 8 m m，能 够满足工作面支护 的需要。 [ 关键词] 液压支架；矿压显现；顶梁外载；围岩 [ 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 4 0 6 0 0 1 7 ． 0 4 Us a g e Co nd i t i o n a n d Ada p t a b i l i t y o f Po we r e d S up po r t i n Ful l me c ha ni z e d Ca v i n g M i ni ng Fa c e o f Yua n ba o Co l l i e r y W ANG En p e n g．MA Du a n． z h i ．W ANG Bi a o ． mo u C o a l Mi n i n g＆D e s i g n i n g D e p a r t me 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 i j i n g 1 0 0 0 1 3， C h i n a Ab s t r a c t A p p l y i n g K J 3 2 7，UROI C A a n d p r e s s u r e g a g e t o mo n i t o rin g p r e s s u r e d a t a i n t h e p r o c e s s o f i mme d i a t e r o o f fir s t c a v i n g， b a s i c r o o f fi r s t we i g h t i n g a n d l p e ri o d i c a l w e i g h t i n g i n f u l l me c h a n i z e d c a v i n g mi n i n g f a c e o f Yu a n b a o Co l l i e r y ． Un d e r g r o u n d p r e s s u r e b e h a v i o r c h a r a c t e ris t i c u n d e r d i f f e r e n t w o r k i n g s t a t e s w a s a n a l y z e d ． E x t e r n a l l o a d ma g n i t u d e a n d a c t i o n l o c a t i o n o f p o w e r e d s u p p o rt i n mi n i n g wa s a n a l y z e d ． Re s u l t s h o w e d t h a t l o a d r a n g e b e a r b y p o we r e d s u p p o wa s 6 5 5 0 1 3 1 1 0 k N i n Yu a n b a o Co l l i e r y， t h e d i s t a n c e b e t w e e n r e s u h a n t f o r c e p o s i t i o n a n d c o a l wa l l w a s 3 5 0 1 5 1 0 8 ram ，w h i c h c o u l d me e t s u p p o r t i n g r e q u i r e me n t o f mi n i n g f a c e ． Ke y wo r d s p o we r e d s u p p o r t ；u n d e r gro u n d p r e s s u r e b e h a v i o r ；e x t e r n a l l o a d o f r o o f b e a m ；s u r r o u n d i n g r o c k 采场液压支 架与 围岩是一对 相互作用 的统 一 体 | 1 J ，液压支架结构及性 能要适 应 回采工作 面围 岩的运动规律。同时液压支架的支撑力分布合适， 护顶装置可靠，才能维护好顶板以保证矿工的安全 与生产的正常进行 J 。许 多学者研究 了综放采场 不 同顶 板 结构 下 支架 力 源 与支 架 载荷 的定 量关 系[ 4 - 5 ] 、采场支架载荷力学机理 J 、采 场支架 与 围岩耦合作用关 系 J 、国 内综放 开采支架 阻力 特 点 ] 、利用微震监测综放面支架围岩关系 以及 根据整个工作面的压力分布情况验证支架 的支护质 量 _ 1 。 目前对于液压 支架支护性能分析 与研究 一 般都是根据液压支架 自身力学性能 ，分析其合力大 小及作用位置 ，并根据液压支架在不同高度下合力 的理想值分析其支护强度 ，没有充分利用矿压 观测数据分析支架与围岩的耦合关系。 工作面矿压监测主要通过监测液压支架立柱下 腔压力值，总结工作面的矿压显现规律，校核液压 支架支撑能力 1 H J 。不 同液压支架立柱布置位置 不同，支架与顶板合力作用位置间的关系不 同，所 监测 的矿压值也有区别 ，将支架与围岩耦合关系的 研究用于液压支架设计 ，可改进支架的力学性能和 支护效果 H 。根据元 堡煤矿 观测 的立 柱压力值 ， 结合该矿使用 的液压支架分析其支护性能以及对该 地质条件的适应性 ，对该矿综采面支护设备的改进 具有一定 的指导意义 ，为类似煤层综放工作面支护 设备选型提供参考。 1 地质条件及液压支架参数 1 ． 1 地质条件 元堡矿 区 9号 煤 层 位 于 太 原组 中部 ，埋 深 1 5 9 ． 9 0 3 4 0 ． 2 7 m，底板标高 1 0 8 5 ． 0 3～1 2 5 9 ． 6 6 m。 煤层厚度 3 ． 9 9～1 9 ． 1 0 m，平均厚度 1 2 ． 9 1 1T l 。伪顶 为 0～ 0 ． 4 m厚 的黑色泥岩及炭质泥岩 ，直接顶为 0 ～ 5 m厚的褐色 、土黄色泥岩 ，基本顶为 3 08 7 m [ 收稿日 期]2 0 1 4 0 6 2 1 [ D O I ]1 0 ． 1 3 5 3 2 ／ j ． c n k i ． c n l 1 3 6 7 7 ／ t d ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 0 4 【 基金项 目] 国家高 技术研 究发展计划 8 6 3计划 资助项 目 2 0 1 2 AA 0 6 A 4 0 7 [ 作者简介]王恩鹏 1 9 6 1 一 ，男，辽亍海城人，研究员，硕士生导师，天地科技股份有限公司开采设计事业部党总支书记、副总经理， 从事综采工作面液压支架设计及配套研究工作、市场开发和科技经营、示范工程项目管理等工作。 【 引 用格式 ] 王恩鹏 ，马端志，王彪谋 ．元堡矿综放工作面液压支架使用情况及适应性能研究 [ J ]．煤矿开采，2 0 1 4，1 9 6 1 7 2 0 ． 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 2 1期 煤 矿 开 采 2 0 1 4年第6期 厚的浅黄、灰 白色含砾 粗砂岩 ；伪 底为 0～0 ． 7 m 厚的浅灰色泥岩，直接底为 2～ 4 m厚 的硬度较大 的灰白色细砂岩 ，基本底为灰 白色细砂岩。煤层结 构复杂 ，含 2～ 7层夹矸 ，夹矸厚度 0 ． 2～ 0 ． 9 m。 1 ． 2 液压支架主要参数 元 堡 矿 区 9号 煤 层 使 用 液 压 支 架 型 号 为 z F l 3 0 0 0 ／ 2 6 ／ 4 O型放顶煤液压 支架 ，支架结构如 图 1 所示 ，主要技术参数见表 1 。 图 1 Z F 1 3 0 0 0 ／ 2 6 ／ 4 0型放顶煤液压支架三维实体模型 表 1 液压支架主要参数 参数名称 参数 架型 型号 结构高度／ m m 宽度／ m m 中心距／ m m 初撑力／ k N 工作阻力／ k N 支护强度／ M P a 四柱 支撑掩护式低位放顶煤支架 ZF 1 3 0 0 0 ／ 2 6 ／ 4 0 2 6 0 0～40 0 0 1 6 6 0～1 8 6 0 1 7 5 0 1 0 1 2 8 1 3 0 0 0 P 4 0 ． 4 3 MP a 1 ． 211 ． 2 3 2综放工作面矿压监测数据 元堡矿综放 面于 2 0 1 1年 6月 1日开始生产 ， 矿压观察结果表明工作面两端压力显现程度低于中 部 。为此 ，本文着重分析尤洛卡设备所观测有代表 性 的4 3号支架矿压显 现数据 ，并 列举 2 9号和 5 7 号支架的矿压观测数据 。 2 ． 1 工作面矿压监测方案 元堡煤矿综放面采用 K J 3 2 7型矿山压力监测系 统 、尤洛卡和压力表 3种设备联合监测液压支架立 柱下腔压力值。其中 K J 3 2 7型矿山压力监测系统安 置 3台主站共 9个监测点 ，分别对应工作面中部和 两端 ，每台主站间隔 5台支架安置 1 个监测点 ；尤 洛卡则 以中部 5 5号架为 中心 ，共设 5个 监测点 ； 压力表则为每台支架安装 2个压力表 ，分别对应前 柱与后柱的压力值 ，测点布置对应工作面支架号如 图 2所示 。 2 ． 2 4 3号支架矿压观测数据分析 2 ． 2 ． 1 直接顶初 次来压数据 6月 1 4 E t 早班 ，工作 面机头 侧推 进 2 3 ． 4 m、 机尾侧推进 2 1 ． 4 m时 ，工作 面压力 开始增大。截 止 6月 1 6日早班，工作面机头侧已推进 2 4 ． 2 m、 1 8 图 2 支架压力监测点布置 机尾侧推进 2 2 ． 2 m时 ，压力减小。4 3号支架来 压 期间矿压监测数据如图 3所示 ，液压支架前柱压力 变化范围约为 1 3～ 3 9 ． 7 6 MP a ，后柱压力变化范围 约为 0～3 0 ． 8 2 MP a ，前 后立柱压 力值长期差距 较 大 。 一 } 一 I ． 1 ⋯ 1 6 - ⋯1 2 6 -一1 1 ⋯5 6 -一1 6 6一 - ． 7 6 - l 7 岳 图3 直接顶初次来压矿压数据 2 ． 2 ． 2 基 本顶 初 次来压 数据 6月 2 9日工作 面机头侧 推进 4 2 ． 1 m、机尾侧 推进 4 2 ． 1 I l l ，中部支架出现压力急剧增大。截止到 7月 7日早班 ，机头 侧推 进 4 9 ． 4 m、机 尾侧推 进 5 0 ． 8 m时 ，压力减小 ，该次压力为 中部基本顶初次 来压 ，4 3号支架来压期间矿压监测数 据如图 4所 示 。来 压 期 间 前 柱 压 力 变 化 范 围 约 为 0 ～ 3 9 ． 5 6 MP a ，平均为 3 2 MP a ；后柱压力 变化范 围约 为 0～ 3 9 ． 0 6 M P a ，平均为 3 1 MP a 。前后立柱压力值 在部分时 间内差距较 大，在大部分 时问 内趋于一 致 。 2 ． 2 ． 3第 1次周期来压数据 7月 1 3日，工作面机头侧 推进 5 2 ． 1 I n、机尾 侧推进 5 5 m 时，机头部分支架压力急剧增大。截 止 7月 2 2 13早班 ，工作面机头侧推进 5 9 ． 4 m、机 尾侧推进 6 2 ． 8 m，压力减小，该次压力为机头基本 顶第 1 次周期来 压，4 3号支架来压期 间矿压监测 数据如图 5所示 。 从图 5可以得知 ，前柱压力变化范围约为 5～ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王恩鹏等元堡矿综放工作面液压支架使用情况及适应性能研究 2 0 1 4年第6期 图 4 基本顶来压矿压数据 4 0 ． 2 4 MP a ，最大达 4 0 ． 2 4 M P a ；后柱压力变化范 围 约为 2 3～ 4 0 ． 4 3 MP a ，最大为 4 0 ． 4 3 MP a 。大部分时 间前后立柱压力值趋 势一致 ，部分 时间 内差距较 大 。 图5 第 1 次周期来压矿压观测数据 2 ． 3 液压支架承载特点分析 值变化趋势基本一致 ，数值较大 ，接近安全阀开启 2 ． 3 ． 1 矿压观测数据 压力值。 液压支架承载能力与液压支架前后立柱压力值 和压力值差 额关 系密切 ，4 3号支架矿压观测数据 分析结果如表 2所示 ，2 9号和 5 7号支架矿压观测 数据见表 3 。 表 2 4 3号液压支架立柱压力显现情况 MP a 表 3 2 9号和 5 7号支架矿压观测数据 MP a 2 1 4 Q4 3 2 4～3 23 3～4 1 4 3 l Q5～3 6 9 4曼6～ 强 6 1 ．7 ． 2～ 3 9 _ 6 5 7 勉 4～ 3 S5～ M 2 6～ 3 ＆4 n 2～3 64 1 Q6～ 2 7 ． 6 0～ 3 8 ． 6 2 ． 3 ． 1 元堡煤矿液压支架承载特点 从工作面观测数据可以看出液压支架立柱压力 变化范围很大 ，存在以下特点 1 直接顶初次来 压过程液压支架前立柱 所 受压力大 ，部分安全阀达到了开启压力值 ，后立柱 压力小 ，几乎为 O MP a 。 2 基本顶初 次来 压过程液压支架前后立 柱 压力值都变大 ，安全阀接近开启压力值 ，个别时间 段前立柱压力变小 ，几乎为 0 MP a 。 3 周期来 压过程 液压支架前 、后立柱压力 液压支架在整个生产过程 中安全 阀开启率不 高 ， 液压支架没有出现顶梁 “ 低头” 或 “ 拔后柱 ” 等失稳现象 ，说明该液压支架支护能力能够满足该 工作面安全生产支护需求 。 3 液压支架外载合力与其作用位置 3 ． 1 液压支架适应外载能力分析 运用参考文献 [ 1 2 ] 中的相关公式计算立柱 承受压力值为 0和 6 5 0 0 k N 2个极限工况下液压支 架支撑能力 ，并绘制 3 5 0 0 ra m采高时液压支架外载 合力作用位置和外 载合 力关系 曲线 图。如图 6所 示 ，Z F 1 3 0 0 0 ／ 2 6 ／ 4 0型放顶煤液压支架所能承受外 载合力作用位置为距离煤壁 3 5 0 1～5 1 0 8 ra m，外载 合力最大值范围为 6 5 5 0～1 3 1 1 0 k N。当外载合力值 与合力位置关系在图中阴影范围内时液压支架能够 通过 自身的调节满足支护 的需求 ，当外载合力在特 定作 用 位 置 处 超 出该 曲线 时，液压 支 架将 出现 “ 拔后柱”或 “ 低头”失稳现象。 3 ． 2 工作面外载合力作用大概位置 液压支架所使用的立柱为 3 2 0 m m，根据公式 F2 P r r 计算出支架前、后排立柱的支护力，其 中 P为立柱压力值 ，MP a ；r 为立柱半径 ，mm。 将液压支架立柱 2个极限压力值代人参考文献 [ 1 2 ]中的相关公式 ，计算 出不 同工况下支架所承 受的合力值与其对应的合力位置指合力距煤壁的距 离 ，关系如表 4所示。 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 2 1期 煤 矿 开 采 2 0 1 4年第6期 图6 外载合 力作用位置和 外载合力关 系曲线 表 4 液压支架外载合力及作用位置 支架工况 由表 4可知前后排立柱压力差额越小 ，液压 支架所承受外载合力越接近支架 自身最佳合力作用 位置 ，即 4 3 0 6 mm位置 ；前后 排立柱 压力 差额越 大，外载合力作用位置偏离 支架 最佳合力位 置越 远 ；初次来压工况前外载作用位置靠近煤壁侧 ，液 压支架前 、后排立柱压力变化比较大 ，外载位置变 化比较大 ；基本顶来压工况外载位置向采空 区方 向 移动 ，液压支架后排立柱压力增大幅度比较大 ；周 期来压工况时大部分时问前后立柱受力趋势趋于一 致 ，外载作用位置基本在液压支架最佳合力作用点 附近变化 ；非来压工况下支架外载位置在支架合力 作用点附近变化 。 4结束语 液压支架与其围岩的相互作用关系不仅与液压 支架支撑力有关 ，与载荷作用位置关系也很大 。综 放工作面支架载荷作用位置变化范围大，分析放顶 煤支架与围岩作用关系应从 4个方面考虑 1 液压支架状态是否存在失稳工况 。 2 周期来压工况下前后排立柱压力值的差 值。 3 前后排立柱压力值是否超过初撑压力值。 4 液压支架立柱安全 阀开启情况 。 通过对元堡煤 矿首采工作 面矿压观测数据分 析，认为液压支架性能与围岩载荷基本吻合 ，能够 满足工作面开采支护的需要。 [ 参考文献] [ 1 ]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 ． [ 2 ] 史 元 伟 ．综 放 工 作 面 围 岩 动 态 及 液 压 支 架 载 荷 力 学 模 型 [ J ]．煤炭学 报，1 9 9 7，2 2 3 2 5 3 2 5 8 ． [ 3]史元伟 ．回采工作面顶承力原理 和岩层控制[ J ]．煤 炭科学 技术，1 9 9 7，2 5 2 4 4 4 8 ． [ 4]姜 福 兴 ．放 顶 煤 采 场 的 顶 板 结 构 及 其 支 架 围岩 关 系 探 讨 [ J ]．世界煤炭技术 ，1 9 9 4 1 2 3 2 3 4 ． [ 5 ]杨淑华 ，姜福兴 ．综 采放顶煤 支架受 力与顶板 结构 的关系探 讨 [ J ]．岩石力学与工程学报 ，1 9 9 9，1 8 3 2 8 7 2 9 0 ． [ 6 ]史红 ，姜福兴 ．综放采场初 压阶段 顶板稳定 性与顶 煤放 出 率关系探讨 [ J ]．岩土工程学报 ，2 0 0 5 ，2 7 4． [ 7 ]史红 ，姜福兴 ，汪华君 ．综放采 场周期来 压 阶段 顶板稳 定 性与顶煤放出率关 系探讨 [ J ]．岩石力学与工程学报 ，2 0 0 5， 2 4 2 3 4 2 3 3 4 2 3 8 ． [ 8 ]孔令海 ，姜福兴 ，刘 杰 ，等 ．基 于高精 度微震 监测 的特厚 煤层综放面 支 架 围岩 关 系 [ J ] ．岩土 工 程学 报 ，2 0 1 0，3 2 3 4 0 1 4 0 7 ． [ 9 ]缪协兴 ，钱鸣高 ．综 放采场 围岩一支架整 体力学 模型及 分析 [ J ]．煤 ，1 9 9 8 ，7 6 1 1 3 ． [ 1 O]毛德兵 ， 康 立军 ．综放开采支架 阻力不唯一性原因分析 [ J ] ． 煤炭科学技术 ，2 0 0 3，3 1 1 1 2 9 3 1 ． [ 1 1 ]王红胜 ，张东升 ，万志军 ，等 ．综放工作面支架 与围岩适应 性 分析 [ J ]．煤炭工程，2 0 0 6 5 4 3 - 4 5 ． [ 1 2 ]马端 志 ．四柱 支撑 掩 护式 放 顶 煤液 压 支 架支 护 性 能 分 析 [ J ] ．煤矿开采 ，2 0 1 0 ，1 5 5 6 6 6 8 ． [ 1 3 ]汤建 泉，粟才全 ，李英德 ．现场矿压观测方案设计[ J ]．煤 矿开采 ，2 0 0 8 ，1 3 1 7 1 7 4 ． [ 1 4 ]尹希文 ，朱拴成 ，安泽 ，等 ．浅埋深综放 工作面矿压规 律 及支架 工作 阻力确定 [ J ]．煤炭科学技术 ，2 0 1 3，4 1 5． [ 1 5 ]王国法 ，刘 俊峰 ，任怀伟 ．大采高放顶煤液 压支架 围岩耦 合 三维动态优化设计[ J ]．煤炭学报 ， 2 0 1 1 ， 3 6 1 1 4 6 1 5 1 ． [ 责任编辑 徐亚军 ] ’ ’ ’’’’ ’’ ’’ “ ’。” 。’’’ “ ’’ ’“’ ． 0 - 冀中能源邯矿集团生产矿井全部建成一级标准化矿井 据邯矿集团生产部门介绍，截至目前，邯矿集团1 0个生产矿井全部建成一级标准化矿井。其中，云驾岭矿、陶一矿等5个矿井进入国家一级标准 ◆ i化矿井行列。 ， ● 2 0 1 4 年初， 邯 矿集团按 照安全质量标准化新国标要求， 修订了 煤 矿安全质量标准化达标竞赛检查考核办法 ， 制定了标准化建设规划目标， 实行 每月裣囊，季度考核验收，并将创建结果与各矿领导的 面子、票子、 冒 子”挂钩考核。在标准化创建过程中，邯矿集团探索推行了 抓细节、严过 ◆程、控动态 的标准化工作管理模式，推广 “ 八点， ＼ 线 、“ 十点十线 管理法，实行精晶工程数量与覆盖率双考核。 ◆ 截至 1 0 月底，邯矿集团邯郸矿区九矿十井中， 9个矿井安全生产周期在 l O 0 0 d以上。 摘 自 煤炭信息周刊2 0 1 4 ． 1 2 ． 1 1 1 、 ◆◆◆ ◆ ◆◆◆◆ ◆◆◆●●◆◆◆_l ◆◆◆． ◆●◆◆ ◆◆◆ ◆◆ l ●◆◆◆ 2 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m