物料充填开采液压支架的研究.pdf

第 38 卷第 11 期 煤 炭 科 学 技 术 Vol. 38No. 11 2010 年11 月 Coal Science and TechnologyNov．2010 机电与自动化 物料充填开采液压支架的研究 毕锦明1， 2 1. 中国矿业大学 北京 ，北京100083;2. 冀中能源股份有限公司，河北 邢台 054000 摘要充填支架是充填开采中的关键设备。充填支架不仅支护顶板，维护安全作业空间，推移工 作面输送机和采煤机，而且担负采空区充填、物料夯实及物料在采空区的输送任务。针对目前充填 支架在充填开采中的关键作用，根据邢台矿的具体地质条件进行充填支架设计，重点对支架后部尾 梁的支护机构及其强度，充填结构、夯实机构的设计及物料运输系统等结构进行探讨。通过在邢台 矿的工业性试验表明物料充填开采液压支架设计合理，充填效果良好，经地面及井下观测数据分 析，地表沉陷量达到了预期效果。 关键词充填开采;充填支架;结构设计;充填工艺;地表沉陷 中图分类号TD355文献标志码A 文章编号0253 －2336 201011 －0085 －05 Research on Hydraulic Powered Support for Coal Mining with Material Backfilling BI Jin- ming1， 2 1． China University of Mining and Technology Beijing ，Beijing100083，China;2． Jizhong Energy Company Ltd． ，Xingtai054000，China AbstractAccording to the key role of the backfilling hydraulic powered support in the backfilling coal mining，the backfilling powered support was designed accord based on to the certain geological conditions in Xingtai Mine． The paper had a discussion on the design of the support mechanism and strength，backfilling structure and compaction mechanism as well as the material transportation system and other structures． The industrial trial conducted in the Xingtai Mine showed that design of the hydraulic powered support for the coal mining with the material backfilling would be ration and the backfilling effect was good． The analysis on the surface ground and underground observa- tion data showed that the surface ground subsidence value had reached the expected effect． Key wordsmining with backfilling;backfilling hydraulic powered support;structure design;backfilling technique;surface ground sub- sidence 充填开采是实现开采 “三下”压煤，扩展可 采煤量的有效手段，这几年在我国发展比较快。充 填开采根据煤层不同赋存条件采取不同的充填方 式。按填充材料可分为 3 类物料充填、膏体充填 和高水充填，其共同特点是可实现充填介质的机械 化运输，这为充填开采实现综合机械化开采、提高 产量创造了条件。比较 3 种充填方法，物料充填最 经济，成本最低。在充填开采中，充填支架是开采 中的关键设备。支架设计和使用成功与否，决定着 充填效果的好坏，甚至充填开采的成功与否，因此 充填支架的设计尤为重要。实际上，在综合机械化 开采的三机配套中，支架也是最为关键的。一般都 是根据煤层的赋存条件选择开采方式和支护方法， 根据支护方法选定支架型式，围绕支架进行三机配 套。下面根据邢台矿的充填开采情况，介绍充填开 采液压支架的设计研究。 1采矿地质条件 首个充填开采工作面为邢台矿 7606 工作面， 该面位于东翼六采区，东北部靠近 7602 工作面采 空区，而北部为 F10 断层，南部距 －210 m 西大巷 50 m，东部距井底车场 100 m。工作面位于工业广 场保护煤柱内。 工作面所采煤层为 2 号煤，属复杂结构煤层， 煤层倾角7 ～10，煤的密度1. 8 t/m3，煤层平均厚 度 5. 79 m。工作面埋深 295 ～335 m，平均埋深约 为 320 m。煤层的中下部有一层平均厚度为 0. 4 m 的夹矸，把煤分为上下 2 个自然分层。上分层平均 58 2010 年第 11 期煤 炭 科 学 技 术 第 38 卷 厚度 2. 79 m，下分层平均厚度 2. 60 m，工作面区 域内煤层为一单斜构造。 2 号煤属于Ⅱ类自燃煤层，自然发火期为 12 ～ 18 个月，煤尘具有爆炸危险性，煤尘爆炸指数为 32. 75 ～ 38. 11，瓦斯绝对涌出量 0. 2 m3/min， 相对涌出量为 0. 02 m3/t，地温、地压正常。 7606 工作面顶底板皆为砂质页岩，其赋存条 件如图 1 所示。 图 1 7606 工作面煤层及顶底板情况 7606 为邢台矿首个充填开采工作面，工作面 倾斜长度为 50 m，走向长度为460 m，设计可采储 量为 10. 81 万 t。 2充填支架的选型设计 2. 1充填介质的选择 根据调研，结合邢台矿的实际情况，选择固体 物料充填，原因有以下 3 点。①邢台矿有选煤厂和 矸石电厂，分别产生大量的矸石和粉煤灰，既可保 证供应，又可节省成本，还可废物利用，减少环境 污染。②可实现机械化运输，并可同时进行开采和 充填，为充填开采高产高效打下基础。③与膏体和 高水充填相比较，没有凝固时间，生产效率高。 2. 2开采方式 邢台矿煤层厚度大，一直采用分层开采方式。 主要原因有以下 3 点。①邢台矿传统上都为分层开 采，这是由主副井升回大件能力决定的。②考虑到 充填开采，如采用一次采全高，充填难度大。③采 用一次采全高支架，井下运输困难。运输大巷都需 要扩宽，工作量大。 2. 3支架的性能要求 液压支架的性能和可靠性是决定充填开采成功 与否的关键因素之一。因此，充填支架的设计应考 虑支护强度与工作面矿压相适应，支架结构与煤层 赋存条件相适应，支护断面与通风要求相适应，推 移连接装置与采煤机、刮板输送机相匹配，后部支 护与充填相适应，人员行走畅通、操作方便。 总之，充填支架必须满足以下性能要求满足 正常的综合机械化开采要求;满足采空区能够用物 料充填的要求;要求具备人员行走畅通、操作方 便、视野开阔的条件。因此可把物料充填支架分为 3 部分，前部满足正常的三机配套开采条件。中 部人员操作和行走空间，前部的开采和后部的充 填操作都在这里进行，要求空间宽敞、便于操作、 视野开阔。后部满足采空区的充填要求，支架后 部要提供充填物料运输机、夯实机构等设备正常工 作时需要的空间。后部不仅起到支护顶板的作用， 还要满足充填的要求，1 台支架同时实现开采、后 部支护及充填功能也正是充填支架设计研究的重点 和难点。主要有以下结构特点。 1充填支架后部要提供充填机构工作时所需 的空间。充填液压支架后部需要安装充填物料输送 机，应有保证物料输送机能够正常工作和检修的空 间，还必须提供物料输送机与夯实机构工作时所需 空间，而且物料输送机悬挂高度尽可能提高。 2充填支架尾梁必须有足够的强度。由于充 填支架相比普通支架，要增加尾梁结构，支架的控 顶范围大，顶板对支架特别是对尾梁的压力比较 大，尾梁下还需悬挂物料输送机。因此尾梁必须有 足够的强度，以满足工作要求。 3需要安设可调整充填物料输送机距离的设 备。按照充填开采工艺要求，需在支架尾梁下部设 计滑道，使充填物料输送机能够在伸缩机构的作用 下在支架尾梁下部滑动，滑道长度为采煤机的一个 截深。 4物料充填支架要有夯实机构。由于矸石与 粉煤灰在松散状态下的可压缩量较大，为使充填达 到一定的密度取得好的充填效果，以减少顶板来压 68 毕锦明物料充填开采液压支架的研究2010 年第 11 期 时的下沉量，支架上需设计夯实机构，能将矸石与 粉煤灰尽可能地充满与夯实，尤其是尾梁与充填物 料输送机之间的空间必须尽量充满。 5充填支架可靠性和稳定性的要求。可靠性 主要为工作阻力、性能参数和工作原理上的要求， 与普通支架差别不大。稳定性要求除具备普遍支架 的稳定性要求外，要特别强调一点由于充填支架 比正常综采工作面液压支架增加了后部工作部分， 包括尾梁、充填物料输送机和夯实机构，因此，可 能出现支架头轻尾重，造成支架后仰和移架困难等 现象，故在设计中应充分考虑充填支架的稳定性。 2. 4支架的架型确定及支护强度计算 2. 4. 1支架高度的确定 设计开采工作面煤层采用分层开采，上分层平 均厚度为 2. 79 m，下分层为 3. 0 m。由于上分层工 作面沿煤层顶板开采，在正常情况下煤层的开采高 度为 2. 79 m，但工作面局部可能因顶板起伏不平 使采高不等。对于支架来说，设计采高偏低会丢 煤，使采出率偏低，过高则会造成支架支护状况不 好，稳定性差，而且加大制作成本。根据相似煤层 地质条件下使用支架经验及保证稳定性的前提下提 高采高的原则，选择最大采高为 3. 0 m，支架设计 高度为 1. 6 ～3. 2 m，采用单伸缩立柱。 2. 4. 2支架型式的确定 1由于充填开采工作面充填液压支架后部需 要安设物料 矸石与粉煤灰充填设备，支架顶 梁控顶范围比较大，在7. 0 m 以上，支架最大高度 确定为 3. 2 m，根据围岩情况，可选择两柱掩护式 或四柱支撑掩护式支架。 2根据前部开采、中部操作，后部充填的使 用要求，选用四柱支撑掩护式支架。采用四连杆机 构考虑到支架后部安装有物料输送机、夯实机构等 设备，一旦出现故障，需要人员到后部处理，因此 支架后部必须留有一定的空间，方便人员到后部处 理故障和正常检修。 2. 4. 3支护强度的确定 1按液压支架额定工作阻力确定的回归公 式。液压支架必需的支护强度下限 qh 72. 3M 4. 5Lp78. 9Ls－10. 24N －62. 1，其中M 为采高， 取 2. 79 m;LP为基本周期来压步距，取 15 ～20 m; Ls为控顶宽度，取 1. 5 m;N 为直接顶的厚度与采 高的比值，取 1. 61。代入相关数据得 qh0. 308 ～ 0. 331 MPa。 支架的额定工作阻力 Qh qhBoKsLz，其中Bo 为液压支架的中心距，取 1. 5 m;Ks为支架的支撑 效率，0. 85 ～ 0. 95，取 0. 9;Lz Lb a 8. 10 m; Lb为支架顶梁长度，取 7. 76 m;a 为支架顶梁前端 至煤壁的平均距离，取 0. 34 m。代入相关数据得 Qh3 433 kN。 2另外一种按支护强度确定估算公式。液压 支架支护强度 qh KMγ 10 －2，其中K 为顶板岩 石厚度，取 4. 5 m;M 为采高，取 2. 79 m;γ 为顶 板岩石密度，取 2. 5 t/m3。代入相关公式得 qh 0. 31 MPa。 支架载荷 R qhF 10 3，其中，F 为支架的支 护面积，m2;F Lb a B K0 Lb a Bo， 其中Lb 7. 76 m，a 0. 34 m;B 为顶梁宽度， 取 1. 5 m;K0为相邻顶梁间的间隙，m;Bo 1. 5 m。代入相关公式，得 R 3 767 kN。 Qh R/η，其中，η 为支架的支撑效率，取 0. 9，代入相关数据得 Qh4 186 kN。 根据以上 2 种计算方法分析比较，支架的额定 工作阻力应不小于 4 186 kN。 2. 5充填支架的结构设计及工作原理 考虑首采充填工作面地质、地压等方面的因 素，围岩运动规律不清楚，经多次调研，类比邢台 矿原有支架结构原理及参数，支护强度计算等分析 工作。最终确定采用 ZZC4800/16/32 型四柱支撑 掩护式支架，采用四连杆机构，其结构原理如图 2 所示。 图 2 ZZC4800/16/32 型充填液压支架 物料充填液压支架除了满足支护顶板，综合机 械化生产的要求，还具有充填采空区的功能，主要 由顶梁、立柱、底座、尾梁、充填物料输送机、夯 实机构组成。以前、后立柱为界，前部担负与采煤 机和刮板输送机正常的配套开采;中部为操作空间 和人行通道;后部担负充填物料的运输、充填及夯 实工作。充填物料输送机中部槽由 4 条圆环链悬挂 78 2010 年第 11 期煤 炭 科 学 技 术 第 38 卷 在尾梁下面，可沿尾梁前后移动，中部槽中板上开 有卸料孔，由液压千斤顶开启或关闭，夯实机构交 接在底座上，由调节千斤顶调节夯实机构的上下高 度，可使充填料在支架后部接顶，从而不留空隙。 物料输送机担负物料运输和充填工作，具有以 下功能特点。 1充填物料通过运输机的卸料孔落下，卸料 孔的大小根据充填料塌落角、充填高度、运输量确 定或调节。 2充填物料输送机上刮板的作用是推移充填 物料，下刮板的作用是推平由卸料孔落下到采空区 底板的充填料。 3充填物料输送机通过柔性的悬吊圆环链实 现方向可调节式悬挂。 4充填物料输送机可随移架前移，也可自行 前后移动，能实现弯曲运输，移架不会影响输送充 填料。 5充填物料输送机是在充填支架尾梁的掩护 下进行工作的，可保证充填设备安全，同时设备维 修时可以采用前移支架达到维修空间时进行，充填 过程中无需人员进入充填区。 充填顺序由下而上，当下面一个卸料孔落料到 一定高度后，即关闭卸料孔再开启上一个卸料孔。 随之可启动夯实机构，对已落下的充填料进行夯 实。如此反复循环，直至采空区充满压实。调节千 斤顶用于调节夯实机构的高度，可使充填料在支架 后部接顶，从而实现完全充填。综采工作面生产系 统、充填系统融为一体，回采、充填同时进行。充 填材料经上巷输送机运至工作面端头，再由充填物 料输送机运至采空区进行充填。 2. 6夯实机构设计 支架的夯实机构担负着将采空区充满和夯实的 工作，它的工作性能直接影响着充填效果，是物料 充填支架的重要部件，也是有别于膏体或液体充填 支架的重要部分。 1设计目的及思路。充填支架夯实机构在物 料充填入采空区后，对物料进行夯实，使充填物料 在推压、接顶的基础上达到一定的致密度，使其具 有一定的抗压能力，能够承受顶板下沉的压应力， 控制顶板下沉量，防止顶板下沉断裂，从而将地面 建筑物的破坏程度控制到要求的范围内。 2夯实机构组成及连接方式。夯实机构由 2 个水平夯实千斤顶、1 个调高千斤顶、1 块夯实板、 2 个立柱组成。2 个水平夯实千斤顶与液压支架底 座铰接。两立柱间用槽钢连接形成一个整体。两水 平千斤顶伸出端装有夯实板，板面与缸体垂直，下 面有一与液压支架底座相连的调高油缸，负责夯实 千斤顶的高度调节。以上部件相连接形成整体的夯 实机构的协调动作，负责将充填物料填满并夯实。 3充填开采系统布置及采煤方法 3. 1充填开采系统布置 生产系统主要包括充填料运输、运煤、运料、 通风系统等 图 3 。 图 3 7606 工作面生产系统布置 3. 2充填与开采工艺设计 1采煤工艺。回采工艺流程如下采煤机割 煤→移架→推移刮板输送机，其落煤方式，装、运 煤、移架和推移刮板输送机方式与普通综采一样。 2充填工艺。充填工作在完成一刀采煤工作 后进行，暂停采煤工序，将支架移直后，调整好充 填支架后部充填物料输送机，依次启动物料充填输 送机，自移式物料转载机、运料带式输送机等设 备，进行采空区充填。 充填工作由物料输送机和夯实机构完成，矸石 与粉煤灰的混合物从地面通过投料井、带式输送机 等相关运输设备运至工作面充填物料输送机上，通 过物料输送机的卸料孔将充填物料充填入采空区 内，然后用夯实机构将充填物料推至接顶并夯实。 其工艺流程支架移直后，将充填物料输送机 移至支架尾梁后部，进行充填。充填顺序由输送机 机尾向机头方向进行，当前一个卸料孔卸料到一定 高度后开启下一个充填卸料孔，随即启动前一个卸 88 毕锦明物料充填开采液压支架的研究2010 年第 11 期 料孔所在支架后部的夯实机构进行夯实，直到夯实 为止 一般需要 2 ～ 3 个循环 。当整个工作面充 满后，停止第 1 轮充填，将物料输送机推移一个步 距，移至尾梁前部，用夯实机构把物料输送机下面 的充填料全部推到支架后上部，使其接顶并压实。 最后关闭所有卸料孔，对充填输送机的机头进行充 填。两巷充填不实和不能接顶的地方，靠人工填 满。第 1 轮充填完成后将物料输送机推移一个步距 至支架尾梁后部，开始第 2 轮充填。 4充填开采后地表沉陷变形实测分析 充填综采工作面矿压监测的目的和研究目标， 就是揭示并且总结在充填条件下工作面以及回采巷 道的矿压显现规律，完善相应开采技术及支护措 施，并为矸石和粉煤灰直接充填下采场覆岩移动规 律的分析提供现场依据，具体包括以下 5 个方面。 ①掌握充填开采工作面回采过程中的充填液压支架 的受力状况与顶板在充填条件下的矿压显现规律， 为充填条件下矿压规律与岩层控制的理论研究以及 支护强度的确定提供依据。②分析充填体内部的压 力分布变化，为进一步研究充填材料和完善充填工 艺提供依据。③分析充填条件下顶板来压规律，实 现顶板来压步距和来压强度预报，为合理的顶板控 制提供依据。④掌握巷道受工作面采动影响时围岩 变形的基本规律，为确定充填工作面回采巷道支护 方法和合理支护参数提供依据。⑤掌握工作面超前 采动影响范围和超前支承压力高峰区域，确定工作 面巷道的超前加强支护距离及对应支护技术措施。 通过制定严格的观测方案并实施，从工作面推 进开始进行连续观测，地表最大下沉量为 16 mm， 在预料控制范围之内，符合要求，基本上没有影响 到地表的建筑和设施。 5结语 7606 工作面充填开采首次提出了将地面矸石 与粉煤灰等固体废弃物通过大垂深投料井运至井下 进行综合机械化充填采煤的总体技术思路，实现了 运用固体废弃物充填方式进行建筑物下采煤，提高 了采出率，形成了一种建下采煤的新方法。研制的 物料充填液压支架既能实现综合机械化开采，又能 满足采空区充填的要求。可使开采、充填同步进 行，为提高充填开采生产能力创造了条件。 参考文献 ［ 1］丁绍南 . 采煤工作面液压支架设计 ［M］ ． 北京世界图书 出版公司，199183 －87． ［ 2］赵庆彪 . 邢台矿区煤矿开采新技术应用与发展 ［M］． 北京 煤炭工业出版社，2001112 －117． ［ 3］王国法 . 液压支架技术 ［M］． 北京煤炭工业出版社， 1999． ［ 4］史元伟 . 矿井多煤层开采围岩应力分析与设计优化 ［M］ ． 北京煤炭工业出版社，1995． ［ 5］MT 3122000，液压支架通用技术条件 ［S］． ［ 6］缪协兴，钱鸣高 . 中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望 ［J］． 采矿与安全工程学报，2009，26 1 11 －12． ［ 7］赵宏珠 . 液压支架工作阻力 ［M］． 北京中国矿业大学出 版社，1988． ［ 8］闫少宏，张华兴. 我国目前煤矿充填开采技术现状 ［J］ ． 煤 矿开采，2008，13 3 1 －4． ［ 9］刘灿华. 煤矿矸石充填配置方式的探讨与实践 ［J］． 山东煤 炭科技，2008 4 111 －112． ［ 10］公茂泉 . 推广矸石充填技术 实现煤矿绿色开采 ［J］ ． 山东 煤炭科技，2010 1 4 －6． 作者简介毕锦明 1958 － ，男，河北丰南人，教授级高级 工程师，博士研究生，现任冀中能源股份有限公司副总经理。Tel 0319 －2068490 收稿日期2010 －06 －28;责任编辑赵 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 瑞 上接第 77 页 ［ 7］国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局 . 煤矿安 全规程 ［ M］ ． 北京煤炭工业出版社，2010． ［ 8］黄金，杨胜强，褚廷湘，等 . 采空区自燃三带漏风流场 的数值模拟 ［ J］ ． 煤炭科学技术，2009，37 6 60 －63． ［ 9］蔡桂成． 煤层自然发火原因研究与探讨 ［J］．中小企业管 理与科技，2009 10 12 －14． ［ 10］张荣立，何国纬，李铎 . 采矿工程设计手册 ［M］．北 京煤炭工业出版社，20063487 －3494． ［ 11］袁河津，宁尚根，施建达，等 . 煤矿安全规程专家解 读 ［ M］ ． 2 版 . 徐州中国矿业大学出版社，201094． ［ 12］郝相龙 . 天安十矿综采工作面防灭火技术研究与应用 ［ J］ ． 煤炭科学技术，2009，37 1 85 －87． ［ 13］王延飞，邱长福 . 易燃厚煤层综放面自然发火综合防治实 践 ［ J］ ． 煤炭科学技术，2009，37 5 38 －41． 作者简介李春生 1955 － ，男，河北武安人，高级工程 师，现任冀中能源井陉矿业集团总经理。Tel15835461931，E － mailwnkwhs126. com 收稿日期2010 －07 －19;责任编辑王晓珍 98