四柱放顶煤液压支架支护能力技术研究.pdf

第2 0卷 第2期 总第 1 2 3期 2 0 1 5年 4月 煤矿 开采 C 0AL MI NI NG T EC HN0L 0 GY V o 1 ． 2 0 N o ． 2 S e r i e s N o ． 1 2 3 Ap r i l 201 5 四柱放 顶煤 液压支架支护能力技 术研 究 王彪谋 ，高素英。 ，杜忠孝 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 ． 煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 1 0 0 0 1 3 ； 3 ．北京中煤矿 山工程有 限公 司，北京 ，1 0 0 0 1 3 [ 摘要] 煤矿广泛采用铰接顶梁结构的四柱放顶煤液压支架，存在的问题是前梁端部支撑能 力小，顶梁结构复杂，封闭性差，支架前部容易出现片帮、冒顶。采用整体顶梁结构的四柱放顶煤液 压支架，顶梁前端的支撑力大，可有效防止煤壁片帮、冒顶，但该架型支架前、后柱受力不均带来的 问题 比较突 出，严重时造成工作面支架压死 。理论研 究和 实际应用表 明 ，要针 对煤层开采 条件进行个 性化设备选型和液压支架优化设计，选用整体顶梁结构的四柱放顶煤液压支架，建议其额定工作阻力 估算值应比普通铰接顶梁放顶煤支架提高约 1 ． 41 ． 6倍。 [ 关键词] 四柱放顶煤液压支架；铰接顶梁；整体顶梁；工作阻力 [ 中图分类号]T D 3 5 5 ． 4 1 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 6 2 2 5 2 0 1 5 0 2 ． 0 0 2 7 0 3 Su p po r t i ng Ab i l i t y o f 4- pr o p Po we r e d S up po r t f o r To p- - c o a l Ca v i ng W ANG Bi a o ． r n o uI 1 ， GAO S u． y i n g ， DU Zh o ng x i a 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 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 ij i n g 1 0 0 0 1 3，C h i n a ； 2 ． C o al Mi n i n g＆D e s i g n i n g R e s e a r c h B r a n c h ，C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ； 3 ． B e i j i n g Z h o n g me i Mi n e E n g i n e e r i n g 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 4 p r o p p o we r e d s u p p o w i t h h i n g e d t o p b e a m f o r t o p c o a l c a v i n g w a s w i d e l y u s e d i n c o a l mi n e s ， b u t i t s s ma l l s u p p o s i n g f o r c e o f t o p b e a m e n d ，c o m p l e x t o p b e a m s t r u c t u r e a n d b a d c l o s u r e u s u a l l y r e s u l t e d i n t o c o a l w a l l s l i d e a nd r o o f f a l 1 ． A p p i n g w h o l e t o p b e a m t e c h n o l o g y t o i mp r o v i n g s u p p o r t i n g f o r c e o f t o p - b e a m c o uld e f f e c t i v e l y p r e v e n t c o a l w all s l i d e a n d r o o f f a l l ， b u t t h i s wo u l d f o r m u n b ala n c e d f o r c e b e t w e e n f r o n t p r o p a n d r e a r p r o p a n d e v e n r e s u l t i n t o s u p p o rt c r u s h i n g ． T h e o r e t i c a l a n aly s i s a n d p r a c t i c e s h o we d t h a t s p e c i a l e q u i p me n t l e c t o t y p e a n d o p t i mi z e d p o we r e d s u p p o d e s i g n for c o a l s e a n l c o n d i t i o n wa s n e c e s s a r y ． Wh e n s e l e c t i n g 4 - p r o p p o w e r e d s u p p o w i t h w h o l e t o p b e a m for t o p c o a l c a v i n g，i t wa s s u g g e s t e d t h a t i t s r a t e d wo r k i n g r e s i s t a n c e s h o u l d b e 1 ． 4 1 ． 6 t i me l a r g e r t h a n t h a t o f c o mmo n p o we r e d s u p p o rt w i t h h i n g e d t o p b e a m． Ke y wo r d s 4 - p r o p p o w e r e d s u p p o rt for t o p c o al c a v i n g ； h i n g e d t o p b e a m ； w h o l e t o p b e a m ；wo r k i n g r e s i s t a n c e 煤矿广泛采用铰接顶梁结构 的四柱放顶煤液压 支架 ，存在的问题是前梁端支撑能力小 ，顶梁结构 复杂，封 闭性差 ，支架前部容易 出现片帮、冒顶 。 采用整体顶梁结构 的四柱放顶煤液压支架 ，顶梁前 端的支撑力大 ，可有效防止煤壁片帮、冒顶 ，但该 架型的主要问题是支架前 、后柱受力不均 ，经常出 现支架顶梁 低头 、前立 柱涨缸 、后立 柱拉坏等 现 象 ，严重时造成工作面支架压死 。因此 ，研究不同 结构四柱放顶煤支架的实际支撑能力 ，合理确定支 架额定工作阻力是非常必要 的。 1 支架现场应用实例 内蒙古薛家湾矿区放顶煤工作面四柱支架选用 情况如表 1 所示。 表 l 薛家湾矿区四柱放顶煤液压支架选用情况统计 内蒙古薛家湾地区主采 6号煤层 ，直接顶为砂 质泥岩 、中粒砂岩 ，平均厚度 7 ． 4 9 m，基本顶为细 [ 收稿日期]2 o 1 4 0 6 1 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 5 ． 0 2 ． 0 0 8 【 基金项 目]2 0 1 3国有资本金项 目大型煤矿综放开采支架研究 Z D J S 一 2 0 1 0 KC S J 一 1 - 2 2 [ 作者简介]王彪谋 1 9 6 3 一 ，男，甘肃民勤人 ， 研究员 ， 现任开采装备技术研究所副所长，从事综采工作面总体配套和液压支架设计研 究 工作 。 [ 引用格式] 王彪谋 ，高素英，杜 忠孝 ．四柱放顶煤液压支架支护能力技术研究 [ J ]．煤矿开采 ，2 0 1 5，2 0 2 2 7 2 9 ，5 5 ． 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 2 3期 煤矿 开 采 2 0 1 5年第 2期 粒砂岩 ，粗粒砂岩、中粒砂岩 、含砾粗砂岩 ；底板 为泥岩、砂质泥岩 、粗砂岩。唐公塔煤矿 、补连沟 煤矿 、孙家豪 煤矿等 均选用 工作 阻力为 1 3 0 0 0～ 1 5 0 0 0 k N四柱放顶煤支架 ，采用铰接顶梁结构 ，可 满足使 用需 求。黄玉 川 煤 矿选 用 了工 作 阻力 为 2 1 0 0 0 k N的四柱整体顶梁放顶煤 电液支架 ，可满足 生产需要。 薛家湾地区酸刺沟煤矿开采 6上煤层 ，直接顶 为中粒砂岩 、泥岩 ，平均厚度 9 ． 6 1 m，基本顶为粗 粒砂岩 ，平均厚度 2 6 ． 3 5 m，底板 为灰色泥岩 。配 备工作阻力为 1 5 0 0 0 k N 四柱放顶煤 液压支架 ，采 用整体顶梁结构 ，开采时出现了支架大面积压死事 故 ，支架损坏严重 ，影响了工作面正常生产。后续 工作面选用了工作阻力为 2 1 0 0 0 k N的四柱整体顶 梁放顶煤电液支架，基本满足了生产需要。 从以上实例可 以看出 ，虽然酸刺沟矿开采条件 有特殊之处 ，但其他矿条件相似 ，选用整体顶梁 四 柱放顶煤支架 的额定工作阻力比铰接顶梁结构支架 的额定工作阻力提高近 1 ． 4～ 1 ． 6倍。 2 两种支架额定工作阻力下力学参数对比分析 根据天地 科技开采设计 事业部的通用计算方 法 ，在配套设备相同，支架前 、后立柱均达到额定 工作阻力的条件下 ，分别对铰接顶梁和整体顶梁两 种结构的 Z F 1 5 0 0 0 ／ 2 6 ／ 4 0型四柱放顶煤液压支架的 力学参数进行了计算 。 2 ． 1 参数计算 1 铰接顶梁支架 主要节点处集 中力计算 值为 前梁前端集中力 Q 3 9 4 ． 3 k N；顶梁前端集 中力 Q 26 5 6 3 ． 5 k N；顶 梁 后 端 集 中 力 Q ， 8 0 9 1 ． 4 k N。前立柱至前梁前端无立 柱区支撑力为 Q l 4 5 3 6 7 ． 3 k N 。 2 整体顶 梁支架 主要节点处集 中力计算 值为顶梁前端集 中力 Q 4 9 1 7 k N；顶梁后 端集 中力 Q 1 0 1 3 2 ． 2 k N；前立柱至顶梁前端无立柱区 支撑力为 Q 3 6 8 8 5 ． 4 7 k N。 2 ． 2 参数对比分析 两种四柱放顶煤支架额定工作阻力下参数对比 见表 2 。 表2 两种四柱放顶煤支架额定- I- 作阻力下参数对比 ⋯ 置 黼 铰接顶梁支架3 9 4 ． 3 0 6 5 6 3 ． 5 0 8 0 9 1 ． 4 0 5 3 6 7 ． 3 0 整体顶梁支架4 9 1 7 ． 0 0 4 9 1 7 ． 0 0 1 0 1 3 2 ． 2 0 6 8 8 5 ． 4 7 参数 比值0 ． 0 8 0 ． 8 0 0 ． 7 8 28 分析表 2所示数据 ，可以得出如下结论 1 铰接 顶 梁支 架 前 梁前 端 集 中支 撑 载 荷 3 9 4 ． 3 0 k N，顶 梁 前 部 无 立 柱 区 支 撑 载 荷 5 3 6 7 ． 3 0 k N，均相对较小 ，对于松软煤层和破碎易 冒顶板容易出现片帮、冒顶现象；顶梁后端集中支 撑载荷 8 0 9 1 ． 4 0 k N相对 较小 ，切 顶力小 ，不利 于 顶煤 冒落 。 2 整体顶梁支架前端支撑载荷 4 9 1 7 ． 0 0 k N， 顶梁前部 无立 柱 区支撑 载荷 6 8 8 5 ． 4 7 k N，相对 较 大，对于松软煤层和破碎易冒顶板支护效果好，可 有效 防 止 片 帮 冒顶 现 象；顶 梁 后 端 支 撑 载 荷 1 0 1 3 2 ． 2 0 k N，相对较 大 ，后 端切顶 力大 ，有 利于 对顶煤破碎 冒落。 3 铰接顶梁支架顶梁前 、后端集 中载荷之 比为 0 ． 8 1 ，说 明顶 梁对顶 板承载 分布 比较 均匀 ； 整体顶梁支架顶梁前 、后端集中载荷之比为 0 ． 4 9 ， 说明顶梁对顶板承载特性变化大 ，当顶板给支架施 加均布载荷时 ，支架后 立柱 的支撑力不 能有效发 挥 。 4 铰接前梁长度为 1 6 0 0 ra m，铰接顶梁相对 整体顶梁几何 尺寸短约 1 6 0 0 mm，铰接顶梁支架整 体运输尺寸短 ，方便运输。 3 顶板载荷对两种支架支撑能力影响 放顶煤工作面顶煤冒放前 、后顶板外载荷对支 架顶梁的作用力及作用位置均会有较大变化 ，因煤 层赋存条件不同，载荷变化情况也是非常复杂的， 很难有量化的结论。在顶煤冒放前 ，顶板载荷有利 于四柱放顶煤支架前 、后柱受力均匀 ，顶煤 冒放后 一 般前柱受力加大 ，后柱受力减小 ，前 、后柱受力 不均带来的问题 比较明显 。放顶煤支架顶梁在井下 所受均布载荷是一种基本工况 ，应用实例证明 ，支 架支撑能力满足该工况的要求 ，就可基本满足正常 安全生产的需要 。顶板对液压支架顶梁施加均匀分 布载荷时，由于液压支架顶梁前部无立柱支撑区域 大 ，当前立柱达到额定工作压力时，后立柱通常达 不到额定工作压力 ，此时支架承受的外部载荷即为 支架实际支 撑力 ，通常该 力小于支架额定 工作 阻 力。因此 ，研究确定支架工作阻力时需要在此工况 下对支架进行计算校核，使支架的实际支撑能力满 足正常生产的需要 。 根据天地科技开采设计 事业 部的通用计算方 法 ，分 别 对 铰 接 顶 梁 和 整 体 顶 梁 两 种 结 构 的 Z F 1 5 0 0 0 ／ 2 6 ／ 4 0型 四柱放顶煤液压支架 ，在配套设 备相同、顶板载荷为均匀分布的工况条件下 ，计算 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王彪谋等四柱放顶煤液压支架支护能力技术研究 2 0 1 5年第2期 分析了支架实际支撑能力。 3 ． 1 铰接顶梁支架 在顶板载荷为均匀分布外加载的工况条件下 ， 当铰接顶梁放 顶煤支架前立柱达 到额定 工作压力 时 ，后立柱会相应产生一定 的压力 ，由此计算 出支 架实际支撑能力数值 ，如图 1 所示。 图 1 铰接顶梁结构放顶煤支架受顶板均布载荷时受力分析 1 主要节点处集 中力计 算值为 前梁前端 集中 力 Q 。 3 9 4 ． 3 k N；顶 梁 前 端 集 中 力 Q 5 7 8 6 ． 6 k N；顶梁后端集中力 Q 5 8 2 1 ． 6 k N。 2 当前立柱 达到额定 工作阻力 7 5 0 0 k N时 ， 后立 柱 受 载 4 5 0 0 k N，支 架 实 际 有 效 支 撑 力 为 1 2 0 0 0 k N，约为额定工作阻力值的 8 0 ％ 。 3 ． 2 整体顶梁支架 在顶板载荷为均匀分布外加载 的工况条件下 ， 当整体顶梁放 顶煤支架前立柱达 到额定 工作压力 时 ，后立柱会相应产生一定的压力 ，由此计算出支 架实际支撑能力数值 ，如图 2所示。 图2 整体顶梁结构放顶煤支架受顶板均布载荷时受力分析 1 主要节点处集 中力计 算值为 顶梁前端 集 中力 Q 3 5 4 4 ． 4 k N；顶 梁 后 端 集 中力 Q 3 8 88 ．1 kN。 2 当前立柱达 到额定工作阻力 7 5 0 0 k N时 ， 后 立 柱 受 载 为 0 ，支 架 实 际 有 效 支 撑 力 为 7 4 3 2 ． 5 k N，约为额定工作阻力值 的 5 0 ％。 3 ． 3 两种支架承载能力对比分析 上述计算结果说明当顶梁上方施加均匀分布 加载时 ，铰接顶梁支架 实际有效支撑 能力可达 到 1 2 0 0 2 ． 5 k N，是支架额定工作阻力的8 0 ％；整体顶 梁支架实际有效支撑 能力可 达到 7 4 3 2 ． 5 k N，是 支 架额定工作阻力 的 5 0 ％ ；可以看 出铰接顶梁支架 实际有效支撑能 力是整体顶梁支 架 的 1 ． 6倍。因 此 ，同等条件下支架选型时整体顶梁支架工作阻力 应比铰接顶梁支架提高约 1 ． 6倍。 4 改变前、后立柱缸径对提高支架支撑能力影响 为了解决 四柱放顶煤液压支架普遍存在前 、后 柱受力不均问题 ，个别煤矿在支架设计 时要求采取 加大前柱缸径 ，减小后柱缸径 。以 z F 1 5 0 0 0 ／ 2 6 ／ 4 0 型四柱放顶煤液压支架为例 ，前 、后立柱缸径均采 用 3 6 0 m m的支架前方无立柱区支撑力为 6 8 8 6 k N； 前柱缸径 采用 b 3 8 0 mm，后 柱缸径采 用 6 3 4 0 mm， 支架前方无立柱区支撑力 为 6 9 9 7 k N，支撑力相对 提高 1 ． 0 1 6倍。数据表明，采取加大前柱缸径减小 后柱缸径 ，改善支架承载能力效果不明显。前 、后 立柱缸径不同，带来 的问题是不能互换 ，现场维修 管理不便 ，增加配件库存量 。 5结论与建议 1 铰接顶梁四柱放顶煤支架优点是顶梁短 ， 方便运输和过断层 ；缺点是支架前梁前端承载能力 小 ，对于松软煤层和破碎易 冒顶板容易 出现片帮 、 冒顶现象 ；存在支架前 、后柱受力不均现象 ，在顶 梁受均布载荷时支架实际有效支撑力可达到额定工 作 阻力的 8 0 ％。 2 整体顶梁 四柱放顶煤 支架优点是顶梁前 端承载能力大 ，对于松软煤层和破碎顶板支护效果 好 ，可有效防止片帮冒顶现象；后端切顶力大 ，有 利 于破碎顶煤。在松软煤层时，支架前 、后柱受力 不均问题突出，在顶梁受均布载荷时支架实际有效 支撑力只能达到额定工作阻力的 5 0 ％。 3 针对煤层开采条件要 进行个 性化配套选 型和液压支架优化设计 ，特别是采用整体顶梁结构 时，应充分考虑顶梁受均载工况情况 ，相 同条件下 建议其工作 阻力 比 四柱铰接 顶梁支 架提 高 1 ． 4 1 ． 6倍 ，防止压死支架等重大事故发生。 4 加大前柱缸径 ，减小后柱缸径，改善支 架支撑能力效果不明显 。带来的问题是前 、后立柱 互换性差 ，维修管理不便 ，配件库存量增加。 下转 5 5页 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 郭 璋等特厚顶煤大断面强采动煤巷围岩变形机理及支护对策 2 0 1 5年第2期 测试结果表 明，6 煤层顶板 以粗砂岩 为主，不 同 位置强度不 同，大多在 4 0～8 0 MP a之间，巷帮煤 体平均抗压强度为 1 9 ． 8 0 MP a 。 2 当煤柱宽度为 1 5 m，2 0 m，2 5 m和 3 0 m 4 种情况下，依据酸刺沟煤矿地质采矿条件，煤柱内 部垂直应力最大的位置出现在靠近采空区一侧 6～ 8 m位置 ，煤柱上部顶板岩层垂直应力最大 的位置 出现在靠近采空区一侧 47 m位 置，煤巷顶煤 中 的垂直应力集 中程度和变化剧烈程度均大于上部顶 板岩层。煤柱宽度 由 1 5 m增加到 2 0 m时 ，巷道变 形减小最为显著 ；煤柱宽度 由2 5 m增大到 3 0 m时 ， 巷道变形减小趋势变得不明显。 3 巷道掘进 和工作 面 回采阶段巷道 围岩应 力随宽度增加的变化趋势相同 ，主要表现为 随着 巷道宽度的增加 ，巷帮垂直应力呈线性增加 ，巷道 顶板 的水平应力呈线性减小 。掘进阶段随着巷道宽 度的增加 ，顶板下沉量增加最为明显 ，底鼓量增加 次之 ，而巷帮的变形基本保持不变。回采阶段随着 巷道宽度的增加 ，顶板下沉量 、底鼓量及靠近煤柱 侧 帮变形增加较为明显 ，靠近煤柱侧帮变形增长幅 度较为缓慢。 4 对伊泰矿区酸刺沟煤矿 6 煤层 1 1 0 9胶运 巷进行了支护设计与井下试验 ，工作面回采后 ，巷 道断面收缩率小于 1 5 ％ ，能够 满足工作面正常 的 功能需求 ，实现了特厚顶煤大断面强采动围岩变形 的有效控制。 [ 参考文献] 『 1 ]王金华 ．全煤巷道 锚杆锚 索联 合支护 机理与效果 分析 [ J ]． 煤炭学报 ，2 0 1 2 ，3 7 1 ，卜 7 ． [ 2 ]张百胜，康立勋，杨双锁 ．大断面全煤巷道层状顶板离层变 形模拟研究 [ J ]．采矿与安全工程学报 ，2 0 0 6 ，2 3 3 2 6 4 - 2 6 7． [ 3 ]康 红 普 ，姜 铁 明 ，高 富 强 ．预 应 力 锚 杆 支 护 参 数 的 设 计 [ J ]．煤炭学报 ，2 0 0 8，3 3 7 7 2 1 7 2 6 ． [ 4 ]康红普 ，王金华 ，林健 ．高预 应力强力 支护 系统及 其在深 部巷道中的应 用 [ J ]．煤 炭学 报 ，2 0 0 7 ，3 2 1 2 1 2 3 3 1 2 3 8 ． [ 5 ]王金华 ，康红普 ，高富强 ．锚索支 护传力 机制 与应力分 布 的 数值模拟 [ J ]．煤炭学报 ，2 0 0 8，3 3 1 1 6 ． [ 6 ]李化敏 ，蒋 东杰 ，李 东印 ．特厚煤层 大采 高综放 工作 面矿压 及顶板破断 特征 [ J ] ．煤 炭学 报 ，2 0 1 4，3 9 1 O1 9 5 6 1 9 6 0． [ 7 ]毛德兵 ，姚建国 ．大采高综放开采适 应性研究 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5 6 6 6 8 ． [ 责任编辑 徐亚军] 上接 4 9页 3 以高强锚杆 、锚 索为基础 的锚 网喷支护 显著提高了井底大断面硐室的支护效果 ，有效地控 制了硐室围岩变形，减小了巷道围岩破碎程度，可 有效提高硐室使用寿命 ，保证工作安全。 [ 参考文献] [ 1 ]康红普 ，王金华 ，等 ．煤巷锚杆支护 理论与成 套技术 [ g]． 北京 煤炭工业 出版社 ，2 0 0 7 ． 『 2 ]寇 永嘉 ．大断面巷道硐室围岩控制及锚 固支护技术研究 『 D]． 太原 太原理工大学 ，2 0 1 1 ． [ 3 ] 肖同强 ，李化敏 ，杨建 立 ，等 ．超大断 面硐室 围岩变 形破坏 机理及控制 [ J ]．煤炭学报 ，2 0 1 4，3 9 4 6 3 1 6 3 6 ． [ 4 ]韦寒波，高谦，余伟健 ，等 ．大断面硐室开挖支护与围岩 稳定性分析 [ J ]．中国矿业 ，2 0 0 7，1 6 1 0 8 0 8 2 ，8 5 ． [ 5 ]张 占涛 ，鞠文君 ．大断面煤巷变形破坏规律与支护对策 [ J ]． 煤矿开采 ，2 0 0 9，1 4 2 8 6 - 8 8，5 3 ． [ 6 ]薛军正 ，都海龙 ．井底 大断面关 键永久 硐室 围岩变形 机理及 其控制技术 [ J ]．煤 矿开采 ，2 0 1 4，1 9 3 8 5 8 9 ． [ 责任编辑 王兴库 ] 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m