准格尔煤田特厚煤层放顶煤支架适应性分析及展望_任国军.pdf

准格尔煤田特厚煤层放顶煤支架适应性分析及展望 任国军 1， 张广宁2， 胡宝敏1 （1.鄂尔多斯市国源矿业开发有限责任公司， 内蒙古 鄂尔多斯 010300； 2.中国大唐集团煤业有限责任公司， 北京 100053 ） 摘要 通过对准格尔煤田 14～28m特厚煤层放顶煤液压支架目前使用情况的分析研究， 确定出适合 准格尔煤田 14～28m特厚煤层开采的放顶煤液压支架， 为类似放顶煤工作面提供了参考依据。 关键词 准格尔煤田； 特厚煤层； 综放工作面； 支架适应性 中图分类号 TD355文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0148- 03 Adaptability Analysis and Prospect of Caving Coal Support in Extra-thick Coal Seam of Zhungeer Coalfield RENGuojun 1, ZHANGGuangning2, HUBaomin1 （1. Ordos Guoyuan MiningDevelopment Co., Ltd., Erdos 010300, Inner Mongolia; 2. China DatangGroup Coal IndustryCo., Ltd., Beijing100053） Abstract Through the analysis and research on the current use of the hydraulic support of the top coal in the 14- 28m thick coal seam in the coalfield of Geer coalfield, the hydraulic support for the top coal caving of 14- 28m thick coal seam in Zhungeer coalfield is determined. The reference for hydraulic support selection oftop coal workingface is provided. Keywords Zhungeer coalfield ; extra- thick coal seam; fullymechanized cavingface ; bracket adaptability 0引言 20 世纪 70 年代末期，我国开始采用大采高开 采技术。 20 世纪 90 年代初期， 先后在开滦、 西山、 铜 川等矿区采用大采高开采方法 ［1-2 ］，但采高未超过 5m。随着矿井高产高效技术研究的深入， 底层采高 从 4m 提高到 5.1m 得到了实验性突破。 2018 年 6 月 份大唐国源煤矿设计采用 5.1m 大采高综放工作面 进入工业性实验阶段， 取得成功， 标志着我国放顶 煤开采技术的新突破。 放顶煤液压支架是综放工作面的主要设备之 一， 主要作用是支护采场顶板， 保证作业人员安全。 目前准格尔煤田综放工作面液压支架最大工作阻 力 21000kN,最小的工作阻力 12000kN， 个别综放工 作面采用两柱式放顶煤液压支架， 多数采用四柱式 放顶煤液压支架。目前准格尔煤田特厚煤层综放工 作面两柱式放顶煤液压支架来压期间出现平衡油 缸抽芯、 “ 高射炮 “ 等现象， 四柱式放煤液压支架来 压期间出现后柱工作阻力为零、拔后柱等现象， 总 体上存在对准格尔煤田特厚煤层综放工作面支架 选型存在认识不全面的问题， 本文以准格尔煤田特 厚煤层综采工作面实践生产为研究对象， 进一步分 析生产中两柱和四柱式液压支架的适应性， 进而确 定准格尔煤田特厚煤层放顶煤液压支架的选型。 1液压支架工作阻力确定 目前， 工作面支架工作阻力确定主要有岩层结 构法、 数值模拟法、 工程类比法、 采高倍重系数法、 实测估算法等 ［3-6 ］。 各种计算方法计算结果具有不唯 一性， 有的方法计算结果与现场差异性较大。 1.1岩层结构法 工作面支架的载荷由两部分组成 一是直接顶 的载荷，二是基本顶通过直接顶作用于支架的载 荷，一般以直接顶载荷的倍数来估算基本顶的载 荷。强度计算公式为 q＝Kd （qm＋qd） 式中 q 为工作面支架所需支护强度， kN/m2； Kd 为基本顶失稳时的动载系数， 根据邻近综放工作面 矿压观测结果， 取 1.5； qm 为冒落带岩层自重应力， kN/m2； qd为支架上方顶煤自重应力， kN/m2； 其中 qm＝γ 岩h＝24561344kN/m2； qd＝γ 煤Md＝14.222.9325.18kN/m2 式中 γ 岩为顶板岩石容重，取 24kN/m3； h 为 冒落带岩石厚度， 取最大垮落高度 56m； 6 号 煤 层 顶 板 粗 砂 岩 抗 压 强 度 平 均 值 22.8MPa， 属中等较稳定岩层。采空区冒落带高度计 算按公式 h （1～2） M ） γ 煤为顶煤容重， 14.2kN/m3； 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 148 ChaoXing 式中 M为煤厚， 取最大厚度 28m； Md为顶煤厚 度， 采厚最大 28m,机采 5.1m,顶煤最大厚度 22.9m； K 为垮落碎胀系数， 取 1.5。 则 q＝1.5 （1344＋325.18） 2503.8kN/m2 所需支架工作阻力 Pq （LkLd） B 式中 P 为支架工作阻力 （kN ） ； Q 为工作面支架 所需支护强度， kN/m2； Lk 为梁端距， 0.619m； Ld为顶 梁长度， 5.14m（由选用的配套支架参数确定） ； B 为 支架支护宽度， 2.05m。 则 P＝2503.8 （0.6195.14 ） 2.0529559.7kN。 1.2按实测工作面来压期间最大压强， 估算支架工 作阻力 根据现场压力统计，其最大值为 49.5 MPa， 其 工作阻力 F 理论值为 F2PS19429kN 式中 2 为立柱数量; P 为支架工作阻力， 取 49.5 MPa; S 为立柱受力面积，立柱缸径为 500mm。 ZFY18000/28 /53D 综放支架的额定工作阻力为 18000kN， 从安全的角度出发， 工作面支架的工作阻 力应该有 15～20的富裕，即支架阻力应为 22343kN～23315kN，但支架实际额定工作阻力偏 低，不能满足生产现场基本顶来压的不均衡性， 直 接影响到支架对顶煤及上覆岩层的控制效果。 1.3工程类比法 邻近的黄玉川煤矿采用放顶煤开采 6 煤， 目前 采用 ZF21000/25/45D 四柱支撑掩护式低位放顶煤 支架， 工作阻力为 21000 kN， 日最大工作阻力数据 见表 1。 表 1黄玉川 6 煤综放工作面日最大工作阻力统计表 从表中看出， 工作面有 75的支架日最大工作 阻力没有超出 21000kN，工作面阻力超出 21000kN 的平均比例仅 8.3 ， 符合正态分布， 考虑到低阻力 区比例较大、 前后柱受力不均、 支架接顶效果差等 因素， 从安全的角度出发， 工作面支架的工作阻力 应 该 有 15 ～20 的 富 裕 ， 即 支 架 阻 力 应 为 24150kN～25200kN， 但支架实际额定工作阻力偏低， 不能满足生产现场基本顶来压的不均衡性， 直接影 响到支架对顶煤及上覆岩层的控制效果 ［7-8 ］。 2支架选型 2.1准格尔煤田两柱、 四柱放顶煤液压支架应用现状 经过对准格尔煤田实地调研， 准格尔煤田放顶 煤液压支架目前使用情况见表 2 表 2准格尔煤田两柱、 四柱放顶煤液压支架应用现状表 通过表 2 分析可知 目前准格尔煤田多采用四 柱支撑掩护式放顶煤液压支架， 支架工作阻力最大 21000kN，但多数工作面仍然存在支架工作阻力不 足的现象； 四柱支撑掩护支架承载能力较强， 但存 在后柱压力低于前柱压力， 出现 “ 拔后柱 “ 现象； 两 柱式掩护支架承载能力差， 出现 “ 高射炮 “、 平衡油 缸抽芯现象。 2.2两柱、 四柱放顶煤液压支架实际受力分析 分析支架立柱在实际生产过程中的受力可以 很好的对支架适应性进行评价， 综放工作面在放煤 过程中， 支架所受作用力随着顶煤的垮落放出发生 变化， 支架受力不均匀， 容易造成结构件变形， 分析 支架受力是非常有必要的。 表 3两柱放顶煤液压支架左、 右立柱平均循环末阻力统计表 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 支架 号 102030405060708090100 110 120 ＞ 21000 KN 1800 0 1850 0 1890 0 1900 0 2130 0 2100 0 2100 0 1980 0 1900 0 1920 0 1900 0 1890 0 项 目黄玉川煤矿不连沟煤矿酸刺沟煤矿龙王沟煤矿 生产能力 （万 t） 1000150012001000 平均埋深 （m ）224264312387 平均煤厚 （m ）9.616.714.523.83 工作面长 /m300254.3254.6254.6 采高 /m4445.1 截深 /m0.80.80.81 放煤步距 /m1.60.80.81 支架型号 /m ZF21000/25/42 D ZF15000/27/43 ZF21000/25/45 D ZFY18000/28/5 3D 立柱数量四柱四柱四柱两柱 周期来压压力 显现 支架活柱下缩 量 最 大 达 到 0.4m，立柱表 压 显 示 最 大 47MPa。 支架活柱下缩 量 最 大 达 到 0.8m，立柱表 压 显 示 最 大 48.5MPa。 支架活柱下缩 量 最 大 达 到 0.5m，立柱表 压 显 示 最 大 50MPa。 支架活柱下缩 量 最 大 达 到 1.5m，立柱表 压 显 示 最 大 49.5MPa。 周期来压期间 支架架型情况 出现 “ 拔后柱 “ 现象， 后柱压 力低于前柱压 力。 出现 “ 拔后柱 “ 现象， 后柱压 力低于前柱压 力。 出现 “ 拔后柱 “ 现象， 后柱压 力低于前柱压 力。 出现 “ 高射炮 “ 现象， 承载能 力差，平衡油 缸抽芯。 支 架阻力 /MPa左柱 / 右柱 / 31/30103 32/29110 29.6/3390 29/3583 32/3397 总平均31.496.6 30左 / 右 50左 / 右 70左 / 右 90左 / 右 110左 / 右 149 ChaoXing 表 4四柱放顶煤液压支架左、 右立柱平均循环末阻力统计表 通过表 3、 表 4 分析可知， 两柱式放顶煤液压支 架立柱受力均衡， 左右立柱受力相差最小 3， 最大 17， 平均 3.4； 四柱式放顶煤液压支架前后立柱 相差最小 5， 最大 113， 平均 46， 总体前柱受力 大于后柱受力。 2.3放顶煤液压支架发展趋势 放顶煤液压支架是目前综放工作面的的主要 设备之一， 随着智慧化矿山建设 ［9-10 ］和放顶煤开采 煤厚的提高， 进一步研究放顶煤液压支架的适应性 是非常有必要的。 1） 自动化方面。 随着国内智慧化矿山的不断 推进， 井下自动化程度不断提高， 工作面逐步向有 人值守， 无人作业方向发展， 两柱式放顶煤液压支 架是目前唯一可实现自动化的支架， 而四柱式放顶 煤液压支架很难实现自动化， 因此两柱式放顶煤液 压支架是目前主要的发展方向。 2） 大采高放顶煤液压支架。将大采高综采工艺 优点与放顶煤工艺的优点相结合形成大采高综放 工艺，使得综放工作面采高由目前的 4m 提高至 7m， 可以一次开采 28m 厚的煤层， 解决 煤矿安全规 程 关于采放比 13 的要求。 同是可提高目前综放工 作面顶煤回收率低的问题。 因此， 大采高放顶煤液压支架的研究是今后放 顶煤液压支架的主要研究方向。 3结论 1）准格尔煤田特厚煤层综放工作面来压强烈， 易采用承载范围较大的四柱式支撑掩护式放顶煤 液压支架。 2） 目前准格尔煤田特厚煤层综放工作面液来压 期间矿压显现明显， 通过多种方法对准格尔煤田特厚 煤层综放工作面支架工作阻力进行核算， 发现现有支 架工作阻力不足， 应重新核算， 提高支护强度。 3） 四柱式放顶煤液压支架通过优化前后立柱 工作阻力， 按相应比例提高前后柱工作阻力， 提高 支架支护强度。 4） 两柱式放顶煤液压支架平衡油缸调节能力 有限， 来压期间承载能力差， 通过增大立柱和平衡 油缸工作阻力， 提高支架承载能力。 5） 两柱式放顶煤液压支架， 工作面来压期间， 应保证采放平行作业的同是加快推进度， 及时将压 力甩入采空区。 6） 两柱式放顶煤液压支架是目前唯一可实现 自动化的支架，在保证工作面来压期间快速推采、 采放平行作业情况下， 两柱式放顶煤液压支架在自 动化方向更具有优势。 7） 大采高放顶煤液压支架可提高目前准格尔 煤田特厚煤层综放工作面顶煤回收率， 今后应重点 加大对大采高放顶煤液压支架的研究及使用。 参考文献 [1] 杨永康. 特厚煤层大采高综放采场覆岩移动规律及围岩 控制研究 ［M ］ . 煤炭工业出版社， 2014.1- 20 [2] 钱鸣高. 煤炭的科学开采 ［J］ . 煤炭学报， 2010， 35 （4） 529- 534． [3] 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， 2003. 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