年产千万吨综采工作面液压支架的研制.pdf

第 1 6卷 第 3期 总第 1 0 0期 2 0 1 1 年 6月 煤 矿 开 采 Co a l mi ni n g Te c h no l o g y Vo 1 ． 1 6 No ． 3 S e r i e s N O ． 1 0 0 J u n e 2 0 1 1 ■盱面 疆 年产千万吨 综采工作面液压支架的研制 朱 军 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] 介绍了年产千万吨综采工作面 z Y1 2 o o 0 ／ 2 8 ／ 6 4 D型掩护式大采高液压支架的设备选 型、技术参数和关键技术，分析了支架的发展前景及重要意义。 [ 关键词] 千万吨；液压支架；大采高；工作阻力 [ 中图分类号]T D 3 5 5 ． 4 1 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 2 2 5 2 0 1 1 0 3 - 0 0 9 8 - 0 3 De v e l o p me n t o f Po we r e d S up po r t f o r Fu l l - me c ha ni z e d M i n i n g Fa c e wi t h 1 0 M t ／ a Z HU J u n C o a l Mi n i n g＆D e s ig n i n g D e p a r t m e n t ，T i a n d i S c i e n c e＆T e c h n o l o g y C o ． ，L t d ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a Ab s t r a c t E q u i p me n t l e c t o t y p e，t e c h n i c a l p a r a me t e r s a n d k e y t e c h n o l o gy o f a p p l y i n g Z Y1 2 0 0 0 ／ 2 8 ／ 6 4 D s h i e l d p o w e r e d s u p p o r t wi t h l a r g e mi ni n g h e i g h t f o r f ul l me c h a ni z e d mi ni n g f a c e wi t h 1 0Mt ／a wa s i nt r o d uc e d a nd d e v e l o pme n t f o r e g r o u nd a n d s i g n i fic a nc e o f t h e s u p po wa s a na l y z e d． Ke y wo r d s 1 0 mi l l i o n t o n s ；p o w e r e d s u p p o ；l a r g e mi n i n g h e i g h t ；w o r k i n g r e s i s t a n c e 年产千万 吨级矿井大采 高综 采成套装备及 关键技术 系国家 “ 十一五”重点攻关课题 ，目 标是研制具有 自主知识产权且适应年产 1 0 M t 工作 面配套要求 的最大高度 6～ 6 ． 5 m 电液控制液 压支 架 ，攻克保证大采高支架稳定性 、适应性和可靠性 等关键技术 ，支架型式试验次数不低于 5 0 0 0 0次 ， 采用电液控制系统 ，移架速度 6～8 s ，大修周期在 产煤 2 0 M t 以 匕。 1 试验工作面地点和条件 试验工作面位于西山晋兴能源有限责任公 司斜 沟矿 8号煤层 。工作 面煤层结构简单 ，层位稳定 ， 含 2～3层泥岩 、砂质泥岩夹矸 ，煤厚 3 ． 6～ 6 ． 6 m， 平均厚 5 ． 4 9 m。工作面平均倾 角 1 0 。 ，走 向倾 角不 大于 5 。 ，一般 1～3 。 左 右。顶板 为泥岩 、砂质 泥 岩 ，基本顶为 中粗粒砂岩 ，局部有炭质泥岩伪顶 ； 底板岩性为砂质泥岩 、泥岩 、粉砂岩和细粒砂岩混 合 ，少见中粗粒砂岩 ，局部存在炭质泥岩伪底 。 采用大采高综采 ，全部垮落法控制顶板 ，两巷 中心距 3 0 5 ． 6 m，工作面走向长度 3 4 1 7 m。 2 液压支架研制 2 ． 1 总体设计 2 ． 1 ． 1 主要参数确定 1 架型 目前 ，一次 采全高液压支架 主要 有两柱掩护式和四柱支撑掩护式 2种架型。两柱掩 护式支架 由于重量较轻 、调高幅度大 、结构 简单 、 易于操控 ，越来越多 的用 于一次采全高综采工作 面。 目前 ，美 国、澳大利亚和德国等采煤技术发达 国家综采均以两柱掩护式液压支架为主。近年来 ， 我国在一次采全高工作面也 多采用两柱掩护式 支 架 ，特别是在大采高综采工作面 ，几乎全部采用该 架型。综合考虑 ，选用两柱掩护式液压支架。 2 支护强度、工作 阻力 液压支架支护 强 度的确定是综采工作面岩层控制重点研究内容，针 对斜沟煤矿煤层赋存条件 ，采用 F L A C数值计算软 件对液压支架所需支护强度进行分析计算 。 实验室和现场观测表 明工作阻力与顶板下沉量 △ 即由煤壁 到采空 区一侧 为近似双 曲线 ，当 支架支护强度较小时 ，顶板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数值后 ， 继续增大支护强度 ，对限制顶板下沉量的作用 明显 减弱 ，即支架支护强度与顶板下沉量关系曲线存在 一 个拐点 ，该拐点就是支架最合理的支护强度 。 为了得到支架控顶区范围内支护强度与顶板下 沉量 曲线 P 一△， J 曲线 ，对距离煤壁 4 m处顶板 垂直位移进行监测 ，分别模拟支护强度为 0 ． 5 MP a ， 0 ． 7 MP a ，0 ． 9 MP a ，1 ． 1 MP a ， 1 ． 2 MP a ，1 ． 3 MP a不 同条件下支护强度与距离煤壁 4 m处顶板下沉量关 系曲线 ，结果如图 1 所示 。 [ 收稿 13 期]2 0 1 1 - 0 4 - 2 1 [ 基金项 目]国家 “ 十一五”科技支撑计划资助项 目 2 0 0 7 B AB 1 3 B 0 1 [ 作者简介]朱军 1 9 6 7 一 ，男，江苏昆山人 ， 硕士，高级工程师，现从事液压支架设计工作。 98 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 朱 军 年产千 万吨综采 工作 面液压支架 的研制 2 0 1 1年第 3期 塞 支架支护强 度 a 图 1 支架支护强度与顶板下沉量曲线 由图 1可知 ，当支 护强度大 于 1 ． 1～1 ． 2 M P a 时 ，曲线渐呈水平 ，即支护强度对顶板下沉量作用 越来越不明显 ，可知该数值即为曲线拐点 。考虑到 设备一定的富裕系数 ，最终确定支架的合理支护强 度应不低于 1 ． 2 MP a 。 支护强度确定以后 ，支架的工作阻力可根据下 式进行确定 F ≥P B L ／r l 式 中，F为 额定 工 作 阻 力 ，k N；P为 支 护强 度 ， 1 2 0 0 0 k N ／ m ；L为 支架 中心距 ，取 1 ． 7 5 m；B 为 控顶距 ，取 5 ． 3 6 m；叼为支撑效率 ，取 0 ． 9 6 。 将上述各数值代人计算 ，得 F≥ 1 1 72 5k N 对 以上计算结果进行圆整 ，取 F1 2 0 0 0 k N。 3 支架高度根据试 验工作面 和接续工作 面的煤层厚度，工作面顶、底板条件等因素，综合 考虑煤壁片帮 、冒顶等控制措施 ，确定工作面最大 采高 6 2 0 0 m m，支架最大结构高度 6 4 0 0 m m。 4 配套设备刮板输送机 S G Z 1 2 0 0 ／ 2 4 0 0 ； 采煤机 MG 1 0 0 0 ／ 2 5 0 0 一 WD。 2 ． 1 ． 2四连 杆机 构 设计 四连杆机构是液压支架 的主要稳定机构 ，主要 作用是保证支架的纵向和横向稳定性 ，承受和传递 外部载荷，保证支架的整体刚度。四连杆机构的设 计是液压支架设计的核心 ，其结构参数决定着液压 支架在调高范围内梁端距和支撑力的变化幅度 ，对 支架结构件受力也有较大影响。在确定四连杆机构 时，应使梁端距轨迹在调高范 围内近似一条直线 ， 并且最好使轨迹曲线的工作段在液压支架降架时向 煤壁方 向倾斜 ，使梁端距 减小 ，摩擦 力指 向采 空 区，以增大液压支架的纵向稳定性 ，减小底座前端 比压。设计良好的四连杆机构应使液压支架在工作 高度范围内梁端距的摆动幅度在 8 0 ra m 以内 ，掩护 梁与顶梁的铰接点和掩护梁瞬时转动 中心的连线与 水平 面的夹 角不 大于 9 。 。利用 天地科技股份有 限 公司开采设计事业部 自主开发的液压支架优化设计 软件 ，对 Z Y1 2 0 0 0 ／ 2 8 ／ 6 4 D型掩护式液压支架的参 数进行了优化。部分计算结果如表 1 。 表 1 Z Y1 2 0 0 0 ／ 2 8 ／ 6 4 D掩护式支架计算结果 2 ． 2 大采高支架的稳定性研究 大采高液压支架的稳定性包括横向稳定性和纵 向稳定性 ，是支架成功与否的关键问题 ，其影响因 素不仅包括 四连杆机构参数 、轴孔 的配合间隙 ，也 涉及工作面条件参数 、支架加工工艺等 。 1 横 向稳 定性 液压支架 的横 向稳定性 是 指支架在运动和承载过程 中，支架结构与对称中心 平面垂直方 向 沿工作面方 向保持稳定 的特性 。 影响支架横 向稳定性 的因素主要有支架 四连杆机构 销孔间隙 、工作面采高 、支架 中心距 、工作面横 向 倾角 、工作面仰采或俯采等。随着采高的加大 ，支 架顶梁相对底座发生 的偏移程度也逐渐增大 。 2 纵向稳 定性 纵 向稳定性是 指支架在运 动和承载过程 中，支架结构沿对 称 中心平 面方 向 垂直 于工作 面方 向保持其 几何位 态稳定 的特 性 。采高加大增加了顶板垮落对掩护梁的冲击可能 性 ，造成支架纵 向失稳。特别是当支架承受 向前的 水平力时 ，则底座合力向前移动 ，使底座前端比压 增大 ，甚至使合力超 出底座 ，造成支架纵向失稳。 3 提高稳定性措施为保证支架的稳定性， 重点研究了能够提高支架横向和纵向 稳定性的关键 技术和结构形式 ，主要采取了以下一些措施 选择 合理的架型和结构参数，通过优化设计，设计四连 9 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 0 0期 煤 矿 开 采 2 0 1 1 年 第 3期 杆机构时 ，使顶梁的运动轨迹 自上而下为向工作面 倾斜的曲线 ，使梁 端距减小 ，摩擦力指 向采空区， 以增大支架 的纵 向稳定性 ，减小底座前端对底板的 比压 ，防止支架出现前倾现象 ；在保证相邻支架底 座问合理距离情况下 ，尽量使底座加宽 、加长 ，增 大与底板的接触面积 ，保证支架的重心始终在底座 宽度和长度范围内；减小 四连杆机构销轴和销孔的 最大配合间隙 ，主要结构件的联结孔整体焊接后加 工 ，在 目前制造工艺条件下 ，提高顶梁 、掩护梁 、 底座 、前后连杆销孔 和销轴 的加工 精度和公差 等 级 ，销孔尺寸 b l 6 0 m m，公差等级 H 1 1 ，销轴尺寸 1 5 9 ． 5 m m，公差等级 h l 1 ，保证销 轴和销孔 的配 合间隙控制在 1 m m 以内；支架设置双向可调的顶 梁 、掩护梁活动侧护板 ，增大侧推千斤顶缸径 ，侧 推千斤顶缸径 l O O mm，侧推力达到 2 9 5 k N。在侧 推千斤顶活塞腔液压管路上设置双液控单 向锁 ，以 保证支架受横向水平力时保持相邻顶梁之间的正常 距离。顶梁和掩护梁活动侧护板分别单独操作 ，有 利于调架 ；设置底座调架机构 ，当支架支撑时，用 底调装置顶住邻架底座 ，防止支架横 向滑移。当支 架移架时 ，用底调装置调整支架与邻架的间距 ；支 架配备设施完善和性能可靠的防倒防滑连接装置。 2 ． 3 工作面片帮冒顶防治措施研究 在综采工作面 ，随着采高的增大，煤壁片帮程 度也相应增加 ，片帮 深度与采高基本 上呈线性关 系。煤壁片帮在综采面不是孤立存在 的，往往是和 顶梁前端顶板 冒落一起发生的。生产实践证明片 帮造成支架梁端距增大，引起端面顶板冒落 ，冒顶 扩大又引起片帮加深 ，两者相互影 响造成恶性循 环 ，严重影响安全生产和正常的循环作业 。为有效 控制煤壁片帮和 冒顶 ，采取 的主要措施 1 通过增大立柱缸径和提 高泵站 的供 液压 力，提高支架的初撑力 较大的初撑力使支架在初 撑阶段迅速压实支架顶梁上的浮煤 、碎矸 ，尽快发 挥支架支撑顶板的作用 ，减小顶板的早期变形 、离 层和煤壁片帮，增强顶板的稳定性 ，减缓顶板变形 破坏 过 程 ，保 持 煤 壁 的 完 整 。支 架 的 初 撑 力 1 0 3 9 0 k N，达到工作阻力的 8 6 ％。 2 设置护帮装置也是控制煤壁 片帮的重要 手段护帮装置应具有一定的支撑能力和调节余 地 ，在正常情况下 ，护帮板应能伸进煤壁 内，对已 经片帮的煤壁起到支撑作用。当拉架步距不足时 ， 也能支护煤壁。在最小采高时，护帮板收平后不影 响采煤机通过。为了提高支架的防片帮能力 ，有效 保护设备及人身安全 ，支架顶梁前端采用带四连杆 1 0 0 机构 的二 级 护 帮 装 置 ，其 中一 级 护 帮 板 长 度 1 5 0 0 mm，二级护帮长度 1 3 0 0 mm，最大护帮高度达 2 9 0 0 mm。二级护帮装置既可收回又可翻转 1 8 0 。 并 上挑 5 。 ，护 帮 、护顶性能好。为了增大护帮 、护 顶力 ，一级护帮千斤顶采用 1个缸径 d 1 6 0 m m，二 级护帮千斤顶采用 2个缸径 b l 6 0 m m。在液压系统 中设置交替双向控制阀，实现二级护帮板和一级护 帮板联动 ，使二级护帮板能更好地贴紧煤壁 ，对煤 壁起到支撑作用 。 3 正常情 况下煤壁 片帮深度 随梁端距增大 而加深在考虑采煤机仰斜 5 。 滚筒不 割支架顶 梁 的情况下 ，尽量减小梁端距 ，本支架最大工作高度 6 2 0 0 mm时 ，梁端距为 6 9 3 m m。 2 ． 4 支架的主要技术参数 型号 Z Y 1 2 0 0 0 ／ 2 8 ／ 6 4 D型两 柱 掩 护式 液 压支 架 ，高度 2 8 0 0～6 4 0 0 m m，中心距 1 7 5 0 ra m，宽度 1 6 8 0～1 8 8 0 mm，初撑力 1 0 3 9 0 k N P3 7 ． 5 M P a ， 工作阻力 1 2 0 0 0 k N P 4 3 ． 3 MP a ，支护强度 1 ． 2 7 ～ 1 ． 3 2 M P a ，底 座前端底 板 比压 1 ． 5 5～3 ． 9 8 MP a ， 操作方式为电液控制，泵站压力 3 7 ． 5 MP a 。具体 结构如图 2所示 。 图2 Z Y 1 2 0 0 0 ／ 2 8 ／ 6 4 D型两柱掩护式液压支架 3 结束语 2 0 0 9年 4月完成 了支架样机 ，5月顺利通过 国 家煤矿支护设备质量监督检测中心的检测 ，在通过 M T 3 1 2 2 0 0 0 液 压支 架通 用技 术 条件 的基 础 上，参照欧洲 E N1 8 0 4标准继续试验 ，累计耐久性 试验 5 0 0 0 0次。2 0 0 9年 l 0月，完成 整 个工作 面 1 7 6架 的生产。2 0 1 0年 1月 ，支架下井安装完成 ， 2月开始生产 ，目前使用正常。 年产千万吨综采工作面 Z Y 1 2 0 0 0 ／ 2 8 ／ 6 4 D型掩 护式液压支架研制成功 ，是我国高产高效综采支护 装备国产化研究 的一项重要成果 ，提高了综采技术 装备水平 ，使我 国综采支护装备的技术水平达到国 下转 8 8页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 0 0期 煤矿 开 采 2 0 1 1 年 第 3期 O “ N M N 2 ． 5 3 Mr O s m a x o r m 5 3 a 2 - a J 式 中，Ⅳ为截 面抵 抗矩 ，取 0 ． 0 6 m。 ；A为截面面 积 ，取 0 ． 6 m 。 混凝土喷层的截面安全系数 3 5 式 中， ． 为混凝土屈服强度。 综上所述 ，U型钢支架与混凝土喷层 的联合支 护结构体系满足控制围岩变形 的刚度和强度要求 ， 支护体系有效 。 4结论 采用三维数值模拟方法对高家梁软岩井筒联合 支护体系适应性进行分析。得出主要结论如下 1 井筒开挖后 ，其墙 脚和直墙处 产生较大 的应力集中，顶板和底板发生应力松弛 ，底板上表 面部分产 生拉应力 区；其 顶、底板产 生较大的变 形。如不加支护围岩很容易遭到破坏。 2 施加 支护后 ，底板没有拉应力 出现 ，在 顶 、底板的围岩应力集 中明显减少 ，两帮没有出现 应力集中现象 ，其应力集 中主要出现在基础墩上； 顶 、底板位移变形和围岩塑性 区得到有效控制。支 护效果 良好。 3 从支护结 构 内力算 出 u型钢支架安全系 数为 3 ． 7 3 ；混凝土 喷层安全系数为 4 ． 3 5 。支护体 系有效 ，安全储备充足。 4 对二次支护 时机进行预测 ，认定 掘进头 过后 1 2 m围岩变形基本稳定 。 [ 1 ]何 满潮 ， 出版社 ， [ 2 ] 黄醒春 ， 出版社 ， 景海河 2 0 0 2 ． 陶连金 2 0 0 5 ． [ 参考文献] 孙晓 明 ．软岩工程力学 [ M]．北京 科学 曹文贵 ．岩石力学 [ M]．北京 高等教 育 [ 3 ] 陶连金 ，等 ．宝山煤矿巷道围岩松动 圈测试 [ J ]．建井技术 ， 1 9 9 4 S I． [ 4 ]吴洪涛 ．复杂地质 条件下隧 道施工方法 及其力学 分析 [ J ]． 隧道建设 ，2 0 0 0 1 ． [ 5 ]刘波 ，韩彦辉 ． F L AC原理 、实例与应用指南 [ M]．北京 人 民交通 出版社 ，2 0 0 5 ． [ 6 ]彭立敏 ，刘小兵 ．交通隧道工程 [ M]．长沙 中南大学 出版 社 ，2 0 0 3 ． [ 7]朱维申，等 ．锚杆加 固围岩 的效 应及其 在船 闸高边坡 中的应 用 [ A]．国际岩土锚 固与灌浆 新进展 [ c]．北京 中国建 筑工业 出版社 ，1 9 9 6 ． [ 8 ]侯朝炯 ，等 ．巷道锚杆支护围岩强度 强化机制研 究 [ J ]．岩 石力学与工程学报 ，2 0 0 0 ，1 9 3 ． [ 责任编辑 王兴库] 上接 1 2 3页 [ 3 ]窦林名 ，B e rna r d D r z e z l a ．冲击矿压 危险性 评定 的综合 指数法 [ A]． 2 0 0 0高效洁净开采与支护技术研讨会 论文集 [ c]．徐 州 中国矿业大学出版社 ，2 0 0 0 ． [ 4 ]宋卫华 ，张宏 伟 ．基 于地 质 动力 区划 的矿井 动 力现 象 预测 [ A ]． 第9 届全国岩石力学与工程学术大会论文集 [ c ]． 北 京 科学 出版社 ，2 0 0 6 ． [ 5 ]雷毅 ． 冲击危险性评价模型的建立及应用研究 [ D ]． 煤炭 科学研究总院 ，2 0 0 5 ． [ 6 ]姜福兴，王存文，叶根喜，等 ．采煤工作面冲击矿压发生的 可能性评价方法研究 [ A]． 2 0 0 8全国冲击矿压研讨会 暨 2 0 0 8 全 国煤矿 安 全 、高 效 、洁 净 开采 技 术新 进 展研 讨 会 论文 集 [ c]．徐 州中国矿业大学 出版社 ，2 0 0 8 ． [ 7 ]冯恩杰，x l 4 , 林，李伟清 ．钻屑法检测冲击矿压危险的实践 『 A]． 2 0 0 6年度煤炭工业总工程师论文集 [ c]．徐州 中国 88 矿业大学 出版社 ，2 0 0 7 ． [ 8 ]付东波，齐庆新，秦海涛，等 ． 采动应力监测 系统的没计 [ J ]．煤 矿开采 ，2 0 0 9，1 4 6 1 3 1 6 ． [ 9 ]窦林名 ，何学秋 ，王恩元 ．冲击矿 压预测 的 电磁 辐射技 术及 应用 [ J ]．煤炭学报 ，2 0 0 4，2 9 4 3 9 6 3 9 9 ． [ 1 O ]邓志刚，任勇，齐庆新 ． 关于应用地音监测法防治冲击矿 压 的初步探讨 [ A]． 2 0 0 8全 国冲击矿压 研讨会 暨 2 0 0 8年全 国煤矿安全 、高效 、洁净开采技术新进展研讨会论文集 [ c]． 徐州 中国矿业大学出版社 ，2 0 0 8 ． [ 1 1 ]曹安业 ，窦林名 ，秦玉红 ，等 ．微震监测 冲击矿 压技术成果 及其展望 [ J ]．煤矿 开采 ，2 0 0 7，j 2 1 2 0 2 3 ． [ 1 2 ]潘俊锋 ，齐庆新 ，毛德兵 ，等 ．冲击矿压危险 源及 其层次化 辨识 [ J ]．煤矿开采 ，2 0 1 0，1 5 2 4 - 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