同忻矿特厚煤层大采高综放孤岛工作面支架选型研究.pdf

现代矿业 MODERN MINING 总第616期 2222年8月第8期 Ser ia l No . 2 1 4 Au g u st . 2222 同忻矿特厚煤层大采高综放孤岛工作面支架选型研究 赵海兵樊俊鹏 （同煤国电同忻煤矿有限公司） 摘 要摘 要孤岛工作面回采期间的强矿压问题一直以来是制约孤岛工作面安全高效生产的主要因 素。8122孤岛工作面为同忻矿特厚煤层高强度综放工作面，为解决工作面可能面临的强矿压问题， 提高工作面回采效率，应用ABAQUS软件对8122孤岛工作面回采期间矿压规律进行了研究，运用悬 臂梁理论计算了工作面回采期间支架所应满足的最小工作阻力，并依此确定了工作面合理的综放液 压支架型号。研究结果表明，回采期间工作面最大垂直应力可达27.22 MPa，应力集中系数为2. 28 ； 8122孤岛工作面周围采空区未充分采动，工作面回采可能面临着强冲击矿压的风险；理论计算得出 液压支架工作阻力应不低于20 866.2 k N,最终确定同忻矿8122孤岛工作面选用ZF21002/27. 5/42 型大采高放顶煤液压支架。 关键词 关键词 特厚煤层 孤岛工作面 放顶煤液压支架 工作阻力 DON 30. 5469/（, issn . 1674-6082. 2020. 2煤层 倾角为04。，平均为1。。8102工作面覆岩主要以 细砂岩、粉砂岩、中砂岩交错分布,完整性好,硬度大, 强度高。 2孤岛工作面回采压力数值模拟分析 2.1数值模型建立数值模型建立 为直观展示8102孤岛工作面回采期间矿压状 况，采用ABAQUS软件建立三维数值模型，其中,3 - 5煤层各工作面及煤柱宽度根据实际尺寸建立，依据 现场工程情况建立4煤层采空区与8102工作面对 应关系，网格模型见图2o 2.2 8102工作面回采期间压力分析工作面回采期间压力分析 8102工作面开采过程中垂直应力和最大主应力 分布云图和曲线见图3o 由图3可知 （1）8102工作面端部超前煤体出现了显著的应 104 赵海兵 樊俊鹏同忻矿特厚煤层大采高综放孤岛工作面支架选型研究2020年8月第8期 图2数值计算模型 力集中，最大达27.22 MPa ,应力集中系数达2. 61。 2 8122采空区,8121采空区和8123采空区垂 直应力不超过5 MPa,未能充分压实，说明一盘区目 前处于非充分采动状况,并且说明有上位坚硬岩层承 载,形成大结构。 3 8122工作面临近8121采空区一侧的超前端 头煤体的应力集中程度比临近8123采空区一侧的 咼。 4 垂直应力矢量方向和最大主应力矢量方向 较接近，说明垂直应力采动后成为最大主应力采动 前原岩应力状态中水平应力为最大主应力。 应力/MPa 1 -1.786 -3.922 -6.059 -15 004 k N液压支架应用至8142孤岛工作面可能 面临支护阻力不足的情况。 由综合柱状图可知,8142工作面靠近地表存在2 层超过50 m的厚硬细粒砂岩层，且工作面上方赋存 多层硬岩层,如埋深454.95 m处7 m厚的K3砂岩 层、埋深423. 78 m处10. 28 m厚的砂砾岩层、埋深 394. 5 m处17.3 m厚的粉砂岩层、埋深357. 35 m处 14.05 m厚的粉砂岩层等。根据覆岩空间结构理论 j1 4的顶板岩层为老顶岩层。 可知,8142工作面上方厚硬岩层工作面倾向的裂缝 少、悬顶长度大，形成非对称长臂T型结构。8142工 作面为一盘区关键工作面,若一盘区最后一个工作面 8142工作面回采，硬岩层悬臂结构势必沿工作面走 向发生破断,对工作面造成强冲击，见图4。 上覆载荷 7飯压舞 图4硬岩层破断冲击 采用理论分析方法可得一般大采高综放支架工 作阻力解析式 ctga -2 -Khj1-A 1 表2岩层岩性参数 2 煤岩层容重/k N/m3抗拉强度/MPa弹性模量/GPa 煤14.52.53.51 炭质泥岩25.12.022.11 砂质泥岩22.03. 125.11 粉砂岩25.35.141.1 细粒砂岩22.54.538.42 砂砾岩22.54.0334.13 粗粒砂岩25.34. 136.0 Amhc hf 1_1 1 -Khm 3 式中,为直接顶厚度,m ；;为直接顶线载荷,数值等 于体积力,N；为直接顶来压步距，取27 m；为无量 纲系数,A4.1h；［久］4.3〜4.35R, R为直接顶 岩层抗压强度，MPa；h为割煤高度，取3.8 m；hf为 放煤高度，取13.2 m；“1为煤炭损失率，取22；入 为直接顶碎胀系数，取4 2；hm为累计直接顶岩层厚 度，m。 3 A h -2fcr 2 174 赵海兵樊俊鹏同忻矿特厚煤层大采高综放孤岛工作面支架选型研究2222年8月第8期 表3 8102工作面上覆岩层结构 煤岩层层号层厚/m 炭质泥岩C10.99 2煤C21.32 砂质泥岩C34.53 泥岩砂岩互层C43.65 粗粒沙岩C54.20 细粒砂岩C64. 20 粉砂岩C43.44 煤C82 泥岩砂岩互层C94.24 细粒砂岩C162.34 砂砾岩C111.99 细粒砂岩C1214. 22 砂砾岩C131. 4 砂砾岩C1410.6 粉砂岩C15 〜C55432.62 黄土C511.55 根据需控岩层的判断准则进行判断上”0 10.22 叫亠2- 64 m 16. 62叫所以C1岩层属于需控岩 层。人”4 3. 114 m，44 2- 82 m 2.934 m,所以C14岩层为基本顶岩层。 对于无变形压力岩层，采用公式 鸟4，，7， ， ⑷ 式中,仏为控顶区内顶煤体的总变形量, 1 A,为孔隙度,％ ,为侧压系数。 经计算得亠6.41 m,C1 C5岩层可抵消顶煤 变形量，因此，将C6 - C14基础数据表2带入式 1,考虑安全系数将式4取最大值，计算得出代 11 843.2 k N。 考虑到孤岛工作面回采期间冲击压力较大，故支 架抗冲击系数取2,则支架工作阻力至少应保证大于 2代,可确定液压支架工作阻力应不低于22 866.4 k N,最终取21 002 k No 3.4支架支撑高度支架支撑高度 适当增加液压支架的支撑高度有利于减小放煤 块度，提高顶煤冒放性。但由于842工作面为孤岛 上接第41页破碎机设备选型和理论计算提供了 理论依据。 3运用顺槽用破碎机生产能力计算公式对 PLM4500型顺槽用破碎机的生产能力和富裕系数进 行了实例计算与验证，结果表明,PLM4500型顺槽用 破碎机满足生产能力4 542 t /h使用要求。 参考文献 工作面，即使是放顶煤工作面,采高加大也会引起支 架工作阻力增加，因此，工作面支架支撑高度依旧沿 用原来的3.5m支撑高度，支架结构高度沿用原来的 2. 75 〜4. 2 m。 3.2支架型号确定支架型号确定 综合考虑,842孤岛工作面支架选型应达到以 下要求优化原综放支架四连杆机构参数;提高支架 的初撑力;加大支架的中心距;减小轴孔间隙和径向 间隙;增大前梁千斤顶缸径,设置二级护帮装置;采用 新型双前后连杆中通式大空间放煤稳定机构;采用抗 冲击立柱。因此，同忻矿8102孤岛工作面确定采用 ZF2400/27.5/42型大采高放顶煤液压支架。 4结论 4通过ABAQUS数值模拟得出8102孤岛工作 面回采期间超前应力可达27.22 MPa,同时孤岛工作 面周围采空区未充分采动，工作面回采期间存在冲击 矿压的风险。 2 运用悬臂梁理论分析支架所受顶煤重力和 顶板变形压力两部分载荷，并取支架抗冲击系数为 2,最终得出8102孤岛工作面液压支架工作阻力至少 应达到 22 866.2 k N。 3 通过分析不同类型支架特征，结合同忻矿以 往工作面支架使用状况,提出了 8102孤岛工作面液 压支架选用要求,最终确定采用ZF2402/27.5/42型 大采高放顶煤液压支架。 参考文献 [1] 王家臣.我国放顶煤开采的工程实践与理论进展[J].煤炭学 报,224,431 43-51. [2] 任保红.凌志达煤矿10211工作面设备选型研究[J],机电工程 技术,224,484 172-174. [4]李超，张志发，廖宇.近距离煤层大采高工作面设备选型 煤矿安全,224 ,464 222-624. [4] 张凯娟，杜迎慧.残煤复采综放工作面液压支架选型研究[J], 煤矿安全,2014,488 28-31. [5] 冯英博，张立超.大倾角大采高“三软”煤层综采工作面设备选 型研究煤矿机械,2012,3310 29-62. 收稿日期2222-64-4 械设计，2029,26 4 7265. [2]李 为，詹肇麟，李 松破碎理论发展浅析[J].矿山机械, 20034 22-63. []刘 瑜,杜长龙，付 林煤块冲击破碎速度研究[]振动与冲 击,2711,303 1061. []武旭彦，卫 丽锤式破碎机可靠性分析与改进[]煤矿机械, 2009,305 153654. []李永志.煤矿井下破碎设备及其选择[J].选煤技术,2014,10 5 33-61. [1]高 强，张建华破碎理论及破碎机的研究现状与展望[J].机（收稿日期2220-6265） 145