工作面液压支架的合理选型.pdf

2 0 0 8年第1期能 源 技 术 与 管 理 工作面液压支架的合理选型 周雁冰 1 , 王高利 2 1 .国投新集能源股份有限公司 刘庄煤矿, 安徽 淮南2 3 2 1 7 1;2 .安徽理工大学 能源与安全学院, 安徽 淮南2 3 2 0 0 1 [ 摘要] 分析了支架的合理支护强度应包括支架合理工作阻力、合理初撑力以及两者的比 值。列举了4种计算支架合理工作阻力的方法, 叙述了支撑掩护式支架特点以及支 架的选型及其在刘庄矿的应用。 [ 关键词] 合理工作阻力; 支撑掩护式支架; 支架的选型 [ 中图分类号]T D 3 5 5 . 4 2[ 文献标识码]B [ 文章编号]1 6 7 2 9 9 4 3 2 0 0 8 0 1 0 0 5 4 0 3 0引言 根据具体煤层赋存条件及矿压参数,选择合 理的液压支架型式,需要确定的液压支架参数包 括 支架阻力初撑力、 额定工作阻力; 支架支护面 积及支护强度; 支架结构高度最大和最小高度; 立柱根数; 顶梁和底座尺寸及其相对位置; 防倒、 防滑、 防转、 防片帮、 调架、 移架、 端面维护等装置 尺寸和能力; 阀组的额定压力和流量等。 但对支架 设计及使用起决定作用的是支护阻力、支护强度 及其载荷分布。 合理的支护强度应以使支架-围岩处于相对 平衡状态必须的工作阻力为依据,应使顶板下沉 控制在有限范围内。尤其在老顶来压等当工作面 处于最危险状态下,仍能使工作面顶板状况保持 良好, 特别是减少端面顶板的冒落。 支架的合理支 护强度应包括支架合理工作阻力、合理初撑力以 及两者的比值,对于坚硬和稳定顶板尚需考虑工 作面每延米阻力, 此值反映支撑力矩的大小。 增加 工作阻力势必加大支架的重量及投资费用,然而 增大支护强度及提高安全系数又可增加支架使用 年限, 减少损坏及维修, 因此在决定支架合理工作 阻力时应有一定富余量。 因此, 合理的支架选型, 是实现采煤工作面安 全高效生产的保证。 1支架选型的依据 液压支架架型的选择虽然主要取决于顶板条 件,但还应根据其它地质条件结合各类支架的不 同性能和特点,最终选择一种较为合理的架 型[ 1,2] 。 1 煤层厚度。根据我国煤层赋存的特点, 厚 度超过2 . 5m、顶板有侧向推力或水平推力时, 应 选用抗扭能力强的支架, 一般不宜用支撑式支架。 根据煤层的不同硬度,厚度达到2 . 5 2 . 8m以上 时,需要选择带有护帮装置的掩护式和支撑掩护 式支架。 煤层厚度变化大时, 应选择调高范围较大 的掩护式或双伸缩支柱的支架。 2 煤层倾角。倾角在1 0 1 5 支撑式支架 取下限, 掩护式和支撑掩护式支架取上限 以上时 用带防滑装置的支架。倾角在1 8 以上时, 应同时 用带防滑防倒装置。 3 底板强度。 应使支架对底板的裁荷集度不 超过底板的允许抗压入强度。在底板较软的条件 下时应作验算。 4 瓦斯含量。对瓦斯涌出量大的工作面, 应 符合煤矿安全规程的要求,并优先选用通风断面 较大的支撑式和支撑掩护式支架。 5 地质构造。断层十分发育, 煤层厚度变化 过大,顶板的允许暴露面积和时间在5 8m 2 、 2 0m i n以下时, 暂不宜使用综采。 6 设备成本。在同时允许选用几种架型时, 应优先选用价格便宜的支架。 支架的架型与矿山地质条件适应与否,对生 产中液压支架的工况及使用效果影响极大。架型 不仅包括支架对围岩的支护及掩护功能,还涉及 顶梁、 底座、 护帮及侧推等部件的合理性。所有这 些必须充分考虑围岩类级、 采高、 倾角等主要开采 要素。 传统的选型方法是分析比较法, 即根据决定 支架整体及各部件类型的主要因素列出可能选择 的几种形式,进行比较以决定最适用的形式及其 参数, 在选择时也应考虑次要因素的作用。 近代发 展的专家评分法就是综合考虑各因素的影响程 度,用专家评分法对各因素的适应性及重要性做 5 4 2 0 0 8年第1期 表1同煤层矿压观测预测或预计本工作面 矿压参数参考表 出评价, 以确定给定条件下的最优采型及结构。 2支架选型的方法 目前液压支架的选型有两种方法系统分析 比较法及综合评分法。 2 . 1系统分析比较法 系统分析比较法就是对要选择的多种方案的 各个属性、 部分、 方面分别研究比较决定的方法。 根据矿山地质条件来分析、比较及决定支架各部 分的类型及参数。其选型原则为 1 主要根据直接顶、 老顶的厚度、 物理性质、 层理和裂隙发育情况及类级; 结合采高、 开采方法 等因素确定支架的额定工作阻力、 初撑力、 几何形 状、 立柱数量及位置、 移架方式、 顶板覆盖率。 下位 顶板的稳定性对液压支架选型尤为重要,例如经 分析认为,目前适用最广的架型为两柱支顶式掩 护支架及支撑掩护式支架,而前者可适用于老顶 Ⅰ Ⅱ级, 动压系数为1 . 2 1 . 5, 直接顶较稳定, 采 高小于5m的煤层;后者主要适用于Ⅲ级以上老 顶, 动压系数约1 . 5以上, 直接顶中等稳定以上的 煤层。 2 对于“ 三软” 煤层, 目前采取的架型有两种 两柱掩护支架。一种是短顶梁的支掩式托梁抠护 支架, 为了缩小控顶距可采用插底式支架; 另一途 径是采取对顶板全封闭方式的支顶式掩护支架, 可采用长侧护板的整体顶梁加伸缩梁,加大立柱 的倾斜以增大支架的指向煤壁的水平支撑能力。 3 根据煤厚、 变化范围及其规则程度, 确定 支架最大和最小高度、 活柱伸缩段数、 加高装置。 结合煤层的强度和节理发育程度确定是否采用护 帮装置,以及装置形式和尺寸。煤层厚度小于 2 . 7m时, 一般不使用护帮装置。 4 煤层倾角数据主要用于确定支架稳定性, 如防倒、 防滑装置、 锚固站及调架装置。 5 底板抗压入强度及平整程度用于确定底 座类型是整体刚性底座或弹性连结的底座;根据 底板载荷集度分布确定底座面积以及在软底时采 用减少底座端部载荷集度峰值的架型或采用插底 式还是设置抬底座装置。 6 依据煤层的瓦斯含量及释放方式确定支 架的最小过风断面是否能满足通风要求。 7 全矿井内地质构造情况, 特别是断层落 差、 影响范围, 陷落柱的范围和规律。这一方面应 使综采区段布置避开地质构造复杂区域,宜用于 断层落差小于l m,最大不超过煤厚1 / 2的稳定 煤层。此外应选对地质构造变化适应能力强的架 型。 根据以上原则对可选择的支架架型及各部件 的几个方案进行比较后,决定采取某类型及其参 数。 2 . 2综合评分法 根据北京开采所的研究,认为支架选型可采 用下述综合评分法。 支架选型要素及评价。 已知开采地质、 技术条 件进行支架选型时,必须考虑各种支架对围岩的 适应性及力学特性,支架选型时必须优先考虑的 要素有直接顶类别、 老顶级别、 底板类型、 采高、 瓦 斯含量、 煤层硬度、 倾角, 它可以反映支架对围岩 的适应能力、 支架的力学特性和工作特性。 根据上 述要素和评价可初步进行支架选型。 除以上几种地质技术条件外, 还应考虑到上、 下部采动条件,两侧开采条件,地质构造发育情 况; 深部开采等因素, 在影响明显时, 可适当降低 顶板类级来处理。 当顶底板含水, 使开采中底板积 水时, 可适当降低底板抗压入强度来处理。 3支架的选型在刘庄矿的应用 1 矿压参数。以刘庄煤矿1 3 - 1煤首采工作 面为依据,同时参考临近谢桥煤矿同煤层矿压观 测资料, 填制矿压参数表, 如表1所示。 周雁冰等工作面液压支架的合理选型 序 号 项目 同煤层 实例 本面选取 或预计 1顶底板 条件 直接顶厚度/ m5 . 3 58 . 3 4 ～ 6 . 3 5 基本顶厚度/ m8 . 5 6 1 1 . 3 3 ～ 8 . 7 5 直接底厚度/ m2 . 3 52 . 2 2直接顶初次垮落步距/ m81 0 3初次来压 来压步距/ m3 54 0 最大平均支护强度/ k N /㎡9 3 8 . 99 3 8 . 9 最大平均顶底板移近量/ m m1 6 51 6 5 来压显现程度明显明显 4周期来压 来压步距/ m2 42 6 最大平均支护强度/ k N /㎡9 3 8 . 99 3 8 . 9 最大平均顶底板移近量/ m m1 2 01 2 0 5直接顶悬顶情况/ m3 . 54 . 0 6底板容许比压/ M P a4 04 0 7直接顶类型/类22 8 9 基本顶级别/级 巷道超前影响范围/ m Ⅱ 2 0 Ⅱ 2 0 5 5 2 0 0 8年第1期 上接第5 0页 3 . 3非连续性柱形方解石脉 如图3所示, 方解石脉长度不等, 一般为3 0 ～ 5 0m m, 在顺层挤压形成的褶皱构造中, 强硬夹层 在褶皱转折端附近受到连续的压缩作用而形成褶 皱,在褶皱两翼因受到连续的拉伸作用而形成香 肠构造,且在两翼的褶皱裂隙内常充填一定的方 解石脉, 方解石脉越粗大, 体现拉伸作用越强, 褶 皱作用力越激烈。 图3非连续性柱形方解石脉 4结论 在平顶山煤田地温较低的煤系地层内,广泛 分布着不同形态的方解石脉,其赋存形态能直观 的体现出井田内地下水的运移规律,构造区域内 各种构造的成因关系。①层状均厚连续性线形方 解石脉。在地下水渗流场内, 方解石脉分布越广, 延伸越长, 分支越多, 体现该区域内地下水水力坡 度越大, 渗流速度越强, 地下水活动越激烈。②不 稳定厚度非连续性锥形方解石脉。 锥体延伸越长, 锥底宽度越大, 体现构造作用力作用时间越长, 力 越大, 围岩位移量越大, 可以定性分析判断断裂构 造的落差大小。③非连续性柱形方解石脉。 在褶皱 构造中, 柱形方解石脉越粗大, 分布越广, 体现褶 皱构造拉伸越强, 作用力越强烈。 [ 作者简介] 邵建风1 9 6 7 - , 男, 河南西华人, 工程师,1 9 9 1年毕 业于焦作矿业学院采矿系, 现为中国地质大学武汉工程 学院硕士研究生, 任平煤集团香山公司生产矿长。 [ 收稿日期2 0 0 7 - 1 1 - 1 4] 2 本工作面采用的液压支架类型及参数, 如 表2所示。 表2 Z Z 1 0 0 0 0 - 2 2 / 4 5型四柱支撑掩护式支架参数 3 支护强度的校验。 对刘庄矿首采面的条件 分析及Z Z 1 0 0 0 0 - 2 2 / 4 5支撑掩护式液压支架特征 可知, 该支架对刘庄矿1 3 - 1煤及顶底板条件是完 全适应的, 故本面选用这种型号支架控制顶板。 支护强度的校验P t 9 . 8 1h γ k 式中,P t为工作面合理的支护强度,k N / m 2 ;h 为采高,平均取3 . 8 5m;γ为顶板岩石重力密度, 一般可取2 . 5t / m 3 ;k为工作面支柱应该支护的上 覆岩层厚度与采高之比, 取6。 P t 9 . 8 1 3 . 8 5 2 . 5 6 5 6 6 . 5k N / m 2 F P t S 式中,S为支架顶梁宽1 . 7 5m,最大控顶距 60 8 7m m时的支架顶梁面积,S 1 0 . 6 5m 2 。 F 5 6 6 . 5 1 0 . 6 5 60 3 3 . 2k N 1 00 0 0k N 支架顶梁承受顶板载荷小于支架额定工作阻 力。同时液压支架底座比压2 . 2 9M P a, 小于煤层 底板岩石的抗压强度4 0M P a。 因此该支架满足工 作面回采需要。 4结语 通过分析比较及支架强度校验, 刘庄矿1 3 - 1 首采工作面的支架选型是合理的,Z Z 1 0 0 0 0 - 2 2 / 4 5 支撑掩护式液压支架能适应工作面的开采需求。 [ 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]陈炎光, 钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M].徐州 中国矿业大学出版社,1 9 9 4 . [ 作者简介] 周雁冰 1 9 8 2 - , 男, 浙江绍兴人,2 0 0 5年毕业于安徽 理工大学采矿工程专业, 现工作于国投新集刘庄矿。 [ 收稿日期2 0 0 7 - 1 1 - 1 2] 项目 内容规格 适用 条件 煤层厚度/ m2 . 2 ～ 4 . 5 煤层倾角/ ≤2 5 顶板 直接顶/类2 基本顶/级Ⅱ 底板 直接底或煤底, 底板平整, 抗压强度不低 于2 . 4M P a 地质构造 地质构造简单, 煤层赋存稳定, 无影响支 架通过的断层 总体 特征 支架重量/ t3 5 . 6 5 支架高度/ m2 . 2 ～ 4 . 5 支架中心距/ m1 . 7 5 工作阻力/ k N1 00 0 0 初撑力/ k N90 0 8 支护强度/ M P a1 . 0 8 对底板最大比压/ M P a2 . 2 9 移架步距/ m m10 0 0 立柱规格/ m mΦ 3 2 0 / Φ 2 3 0 能 源 技 术 与 管 理5 6