“孤岛”综放工作面液压支架选型设计.pdf

第 1 7卷 第4期 总第 1 0 7期 2 0 1 2年 8月 煤 矿 开 采 Co a l mi n i n g Te c h n o l o g y V o 1 ． 1 7 N o ． 4 S e r i e s N o ． 1 0 7 Au g us t 2 01 2 “ 孤 岛” 综放 工作 面液压支架选型设计 佟友 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 [ 摘 要] 为改善唐安煤矿 “ 孤岛”综放工作面的支护状况，采用理论分析与数值模拟方法对 “ 孤岛”综放工作面的应力分布规律进行研究，确定 了支架的主要技术参数。研究结果表 明“ 孤岛” 综放工作 面超 前支承应力明显高于 一般综 放工作 面 ，矿 山压力 显现剧 烈，确定 支架 支护强度 应 大于 0 ． 9 1 MP a 。经 实践检验 ，该支架 能够很好地满足工作面支 护要求 ，对具有 类似条件 的矿 井具有很好 的 参考价值。 [ 关键词 ] “ 孤 岛” 综放工作面；液压 支架；选 型设计 ；数值模拟 ；支护 强度 [ 中图分类号]T D 3 5 5 ． 4 2 [ 文献标识码]B [ 文章编号]1 0 0 6 6 2 2 5 2 0 1 2 0 4 - O 0 4 4 0 3 Po we r e d S up po r t Le c t o t y p e a n d De s i g n f o r “I s l a n d” Ful l - me c h a ni z e d Cav i n g M i n i n g Fa c e 随着我国煤炭资源的大规模开发 ，许多矿井陷 入资源匮乏的窘境 ，为了满足工作面生产接续 的需 要 ，初期采用 “ 跳采 ” 的工作 面 ，现在不得不 面 临 “ 孤岛”开采的情况 。 对 比一般非 “ 孤岛”综放工作面 ，“ 孤岛”综 放工作面由于受前期两侧工作面开采及本次工作面 开采的叠加影响 ，应力集中程度及矿压显现程度加 剧 ，巷道 维护 困难 巷 道 超前 支 护 达 到一 百 多 米 ，且容易引发 冲击地压_ 4 J 。 目前 ，对普通综 放工作面覆岩破断结构与支承压力分布规律已进行 了较多的研究 ，放顶煤液压支架 的选型设计 日 趋成熟，但针对 “ 孤岛”综放工作面支架的选型 设计还缺乏研究 。 本文 以理论分析及数值模拟为基础 ，对唐安煤 矿 “ 孤岛” 综放工作 面支架 主要技术参数进行论 证 ，研究确定了支架的合理支护强度 ，对于该条件 下综放工作面的安全开采具有一定的参考价值。 1 矿井概述 唐安煤 矿 7 5 2水 平 四盘 区工 作 面 初 期 采 用 “ 跳采” ，后期布置 的工作 面两侧均为采空 区，工 作面矿 山压 力显 现 剧烈 ，现 有 支架 支 护强 度 为 0 ． 6 M P a ，工作面顶板下沉 、煤壁片帮、冒顶严重 ， 不能满足工作面支护要求。 矿井现开采 3号煤层 ，该煤层赋存于山西组下 部，为井田内主要可采煤层，结构单一，赋存稳 定 。煤层厚度为 5 ． 5 8 6 ． 6 7 m，平均 6 ． 1 1 m，厚度 变化不大 ，含夹矸 1～ 2层 ，变异系数 R 4 ． 7 2 ％ ， 煤层倾角 0～ 5 。 。 煤层伪顶一般为薄层状黑色炭质泥岩 ，质软 ， 随采随落 ，厚度约为 0 ． 4 m。当伪顶不发育时 ，煤 层直接与直接顶或基本顶接触。直接顶为灰黑色泥 质细粒结构的泥岩 ，质软，完整性较好 ，厚度约为 2 ． 7 m。基本顶为灰黑色中粒结构 的细砂 岩，质硬 ， 完整性较好 ，厚度约为 4 ． 8 i n 。煤层直接底为灰黑 色含炭 化物碎片 的粉砂 岩，中等硬度 ，完整性 较 好 ，厚度约 2 ． 2 m。基本底 为灰黑色含少量 白云母 碎片的砂质泥岩 ，质软 ，厚度 约 1 ． 2 m。盘 区内有 小断层和小的陷落柱 ，但对 回采无太大影响。煤 的 坚固性系数 厂 3 ，重力密度 1 ． 4 5 t ／ m ，属不易自燃 煤层。 2 数值模拟计算及分析 2 ． 1 数值模拟计算方案 唐安煤矿 3号煤层埋深约为 3 5 0 m，工作 面最 大机采高度为 3 ． 0 m，平均放煤 高度为 3 ． 1 1 m，已 开采工作 面 长度 为 1 8 0 m，待 开采 工作 面长 度 为 1 8 0 m，中间保 护煤柱 宽度为 1 6 m，工作面布置情 况见 图 1所示 。 煤 煤 已采工作面 未采工作面 已采工作面 柱 柱 图 1 工作 面布置 模型依照唐安煤矿实际工程地质情况建立 ，先 [ 收稿 日期]2 0 1 2 - 0 2 - 0 2 [ 作者简介]佟友 1 9 7 7 一 ，男，河北秦皇岛人，工程师，现从事液压支架设计工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 佟友 “ 孤 岛” 综放工作 面液压支架选型设计 2 0 1 2年第 4期 对左侧工作面进行开挖 ，然后对右侧工作面进行开 挖 ，并对模拟结果进行分析 ，然后对左右工作面进 行 回填 ，并进行岩石力学参 数的弱化 模拟采后 顶板 岩层 垮 落 充 填 ，并 经 过 一定 时期 稳 定 的情 况 ，最后对中间工作 面进行开挖 ，并对模拟结果 进行分析。 2 ． 2 数值模拟结果及分析 工作面每次推进 5 m，两侧工作 面开挖的垂 直 应力分布见 图 2所示 ，其推进 到 1 0 5 m时 的超前支 承应力分布规律见图 3所示 。 图2 两侧工作面开挖的垂直应力 图3 超 前支承应力分布规律 由模拟结果可知 ，工作面中部前方煤壁支承应 力峰值距工作面煤壁约 5 m⋯ ，工作面超前支承应 力影响范围约为 2 5～ 3 0 m，两侧工作面的开挖对中 间待开挖工作面有一定影响，且随着工作面推进距 离 的增大 ，对煤柱 的影响逐渐增 大，并趋于稳定 ， 侧 向支承应力的影响范 围约为 2 0～ 2 5 m，远高于中 间保护煤柱宽度。 在中间开采工作面开挖初期，超前支承应力峰 值与两侧工作面相近，当工作 面向前推进 5 0 m后 ， 中间 “ 孤岛”工作面超前支承应力峰值 明显增大， “ 孤岛”工作面及巷道矿压显现加剧 。 “ 孤岛”工作面超前支承应力明显 大于两侧工 作面 ，中间工作面由于两侧 已经采空 ，超前支承应 力峰值要 比两侧工作面大 ，随之而来 的是工作面矿 压显现程度加剧。通过对工作面破坏 区进行分析发 现，中间工作面 的顶板 破坏高度 要大于两侧 工作 面，对支架支护强度有更高的要求。 3液压支架选型设计 3 ． 1 支架高度的确定 唐安煤矿采区煤层厚度为 5 ． 5 8 ～ 6 ． 6 7 m，平均 6 ． 1 l m，采用沿底一次放顶煤开采。为了保证合理 的采放比，确定工作面机采高度为 3 ． 0 m 。 为适应煤层厚度变化 ，支架 的最大结构高度 比 b l 2 o o o e ． o o 7 幻一I l 0 o0 c O 一1 o o o oe o7 协 - 9． o o oo e o 6 - 8 瑚 0 0 州 一 7O ∞ 0 e “， 0 6 协吨 0 口 00 c 州， 0 6 一 5o o o oe oo5 ∞1 4 5 2 9 4 e 0 0 6 最大采高大 0 ． 2～ 0 ． 4 m左右 ，取均值 0 ． 3 ，则 H M O ． 3 3 ． 0 0 ． 3 3 ． 3 m 选取支架最大结构高度为 3 3 0 0 ra m，根据支架 立 柱 伸 缩 比 的 要 求 ，支 架 最 低 高 度 确 定 为 1 7 0 0ram 。 3 ． 2 支架支护强度的确定 3 ． 2 ． 1 顶板结构分析估算法 顶板结构分析估算方法的理论基础是工作面支 架工作阻力承受直接顶和顶煤的载荷 ，并平衡基本 顶失稳时对支架 的动载 ，支护强度计算公式为 _ 2 ] qK d q dg 。 g d d。h q 。M c h 考虑放顶煤的放出率为 8 0 ％ A p l 式 中， q为工作 面支架所需支护强度 ，MP a ； K d为 基本顶失稳时的动载系数 ，一般取 1 ． 1 ～1 ． 8 ； q 为 直接顶 自重应力 ，k N； y 为直接顶岩层 重力密度 ， k dm ； h为直接顶垮落充填高度 ，m； q 为支架上 方顶煤 自重应力 ，k N； 。 为煤层重力密度 ，k g ／ 1T I ； 为支架上方顶煤高度 ，n l ； M为煤层一 次采 出厚 度 ，I n ； K 。 为直接顶垮落碎涨系数 ，一般取 1 ． 2 5 1 ． 5。 根据矿井实际地质资料 ，煤层厚度取 6 m，机 采高度取 3 m，放煤高度取 3 m，由于工作面两侧均 为采空区，工作面矿山压力较大，基本顶失稳时的 动载系数较大 ，在这里取经验最大值 1 ． 8 ，此方法 最终确定的支架支护强度应大于 0 ． 9 0 7 M P a 。 3 ． 2 ． 2 基 于支护 强度与顶板下沉量的数值模拟 方法 国内外研究成果表 明，支架工作阻力与顶板最 终下沉量 A L 即 由煤壁到采空区一侧 是一近似 的双曲线 ，即当支架支护强度较小时，顶板 煤 下沉量会随着支护强度 的增大而急剧减小 ；当支护 强度达到一定范围后 ，继续增大支护强度 ，对限制 45 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 0 7期 煤矿 开 采 2 0 1 2年第 4期 顶板 煤下沉量 的作用 明显 减弱 ，也就是说 在 支架支护强度和顶板 煤 下沉量 关系 曲线 中存 在一个拐点 ，这个 拐点就是支架最合理 的支护强 度 。 为了得到支架支护强度与顶板下沉量的相互关 系，分 别 对 支 架 支 护 强 度 为 0 ． 4 MP a ，0 ． 6 MP a ， 0 ． 8 MP a ，0 ． 9 MP a ，1 ． O MP a ，1 ． 1 M P a进 行 了数 值 模拟 ，并对支架后方 5 ． O m处 的顶板位移点进行监 测 ，得到了支架 支护强度与顶板下 沉量 的关系 曲 线 ，见图 4所示 。 图4 支护强度与顶板下沉量关系曲线 通过对支架支护强度与顶板下沉量关系 曲线进 行分析可 知，支架 支护 强度 为 0 ． 9～1 ． O MP a时， 其顶板下沉量随支架支护强度增大而降低的程度明 显减小 ，由此可知 ，支架支护强度取 0 ． 9～1 ． 0 M P a 比较合理。 综合分析 以上 2种支架支护强度计算方法 ，最 终确定支架的合理支护强度应大于 0 ． 9 1 MP a ，支架 的工作阻力可按下式计算 Fg L KL D B 式 中，F为支架 工作 阻力 ，k N；q 为支架 的合理 支护强度 ，M P a ；L K为梁端距 ，取 L 0 ． 3 6 m；L 。 为顶梁长度 ，取 L 。 4 ． 8 m；B为支架宽度 ，取 B 1 ． 51T I 。 F 0 ． 9 1 0 ． 3 6 4 ． 8 1 ． 5 7 0 4 3 k N 根据以上计算结果 ，考虑支架缸径及安全阀开 启压力 ，最终确定支架工作阻力为 7 2 0 0 k N。 3 ． 2 ． 3 液压支架技术参数 根据以上计算结果 ，并充分考虑唐安煤矿 3号 煤层赋存条件，最终确定中部支架型号为 Z F 7 2 0 0 ／ 1 7 ／ 3 3型放顶煤液压支架 ，见 图 5所示 ，其主要技 术参数如下 高度 1 7 0 0～ 3 3 0 0 m m 中心距 1 5 0 0 m m 初撑力 6 1 8 4 k N P 3 1 ． 5 MP a 46 工作阻力 7 2 0 0 k N P 3 6 ． 6 7 MP a 支护强度 0 ． 9 3 0 ． 9 6 M P a 移架步距 8 0 0 mm 适应煤层倾角 小于等于 1 5 。 泵站压力 3 1 ． 5 MP a 操作方式 本架控制 支架重量 约 2 3 ． 5 t 4结论 图5 Z F 7 2 0 0 ／ 1 7 ／ 3 3型放顶煤液压支架 唐安煤矿在 “ 孤 岛”综放开采过程 中工作面 及巷道矿压显现剧烈 ，原有支架支护强度不能满足 矿井安全开采要求 ，通过理论分析及 数值模拟计 算 ，发现 “ 孤岛” 综放工作面超前 支承应力 明显 高于一般综放工作面，超前支承应力影响范围约为 2 5～3 0 m，侧 向支 承 应力 的影 响范 围约 为 2 O～ 2 5 m，最终确定支架支护强度应大于 0 ． 9 1 MP a ，设 计中部支架型号为 Z F 7 2 0 0 ／ 1 7 ／ 3 3 ，过渡支架型号 为 Z F G 8 0 0 0 ／ 1 8 ． 5 ／ 3 3 H。经实践检验 ，能够很好地 满足矿井安全、高效开采要求。 [ 参考文献] [ 1 ]苏林军 ． 金 山坡煤矿液压支架选型设计 [ J ]．煤矿开采， 2 0 0 8 ，1 3 8 7 O 一 7 1 ． [ 2 ]秦 忠诚 ，王 同旭 ．深井孤 岛综放 面支承压 力分 布及其在 底板 中的传递规律 [ J ]．岩 石力学 与工程 学报 ，2 0 0 4，2 3 7 1 1 2 7一l 1 31 ． [ 3 ]曹胜根 ，缪协兴 ．超长 综放工作 面采场矿 山压力控制 [ J ]． 煤炭学报 ，2 0 0 1 ，2 6 6 6 2 1 - 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