坪上煤矿综采液压支架选型设计研究.pdf

1 8 互瞒蒺 科技 2 0 14 年 第 1 期 坪上煤矿综 采液压 支架选 型设计研 究 关玉红， 牛杰 晋城煤业集 团沁秀公 司坪 上煤矿 ， 山西 晋城0 4 8 0 0 0 摘要通过对坪上煤矿煤层地质条件的分析 ， 采 用基 于顶板结构分析的估算法和基于支架与 围岩相互作 用关 系的数值模 拟 计算 法两种 方法比较 ， 确 定了液压 支架支护 强度 不小于0 ． 6 MP a ， 结合 工作 面实际条件确 定了液压 支架架型为 Z Y P 4 0 0 01 7 ／ 3 7 型支撑掩护 式液压 支架。 关键词液压 支架支架选 型设计 中图分类号T D 3 5 5 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 52 8 0 1 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 9 Re s e ar c h o n t he S e l e c t i o n an d De s i g n o f Hyd r a u l i c S upp or t i n Pi n g s ha ng M i ne La y e r Gu a n Yu h o n g Ni u J i e J i n c h e n g C o a l G r o u p Xi n x i u C o mp a n y P i n g s h a n g C o a l Mi n e ，J i n c h e n g ，S h a n x i 0 4 8 0 0 0 Ab s t r a c t T h r o u g h t h e a n a l y s i s o f P i n g s h a n g o n c o a l mi n i n g s e a m g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ， t h e e s t i ma t i n g me t h o d b a s e d o n r o o f s t r u c t u r e a n a l y s i s a n d b a s e d o n t h e mu t u a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s u p p o r t s a n d s u r r o u n d i n g r o c k o f t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n me t h o d，t wo me t h o d s o f c o mp a r i s o n，t o de t e r mi ne t he h y dr a ul i c s u p p o r t s t r e n g t h i s n o t l e s s t h a n 0． 6 MPa， c o mb i n e d t h e a c t u a l wo r k i n g c o n d i t i o n s t o d e t e r mi n e t h e t y p e h y d r a u l i c s u p p o r t fl a me f o r Z YP 4 0 0 0 1 7 ／ 3 7 s u p p o rt s c r e en t y pe h y dr a u l i c s up po r t ． Ke y wor dsh y d r a ul i c s u pp o r t s u pp o rt s e l e c t i o n d e s i g n 1 矿井地质条件 2 液压支架选型 坪上煤矿 属 于山 西晋 煤集 团 ， 井 田位 于 山西 晋 城市沁水县。矿井现主采 3号煤层 ， 为无烟煤 ， 煤层 厚度4 ． 6 5～ 5 ． 9 0 m， 平均厚度 5 ． 3 0 m， 煤层平均倾角 5 。 ， 煤层赋 存稳 定 ， 煤层 结 构简 单 ， 水 文地 质 条件 简 单 。3号煤层 瓦斯 含量 、 压力 均较 大 ， 有煤 与 瓦斯 突 出危 险性 ， 不 宜使 用综 采放顶煤 工艺 。因而 ， 矿 井设 计采 用 长 壁 分 层 综 采 采 煤 法 ， 上 下 分 层 厚 度 均 为 2 ． 6 5 m。 3号煤层直 接 顶 为泥 岩 ， 厚 度 2 ． 8 0～8 ． 5 0 m， 中 厚层状 ， 层 理 发育 ， 经 风化 沿层 理 面 易裂 开 ； 基 本 顶 为灰色厚层细粒砂岩， 厚度 3 ． 3 0～ 1 1 ． 4 0 m， 为坚硬的 岩石 ； 直 接 底 为 黑 色 泥 岩 、 砂 质 泥 岩 ， 厚 度 1 ． 5 0～ 6 ． 1 0 m， 极 限 抗 压 强 度 为 5 4 ． 0～1 6 6 ． 8 M P a ， 为半 坚 硬一 坚硬岩石 ； 基本底为灰 色细粒砂 岩 ， 厚度 0 ． 2 5～ 5 ． 5 0 m， 为坚硬 岩石。 收稿 日期2 0 1 30 9一O 5 作者简介关玉红 1 9 8 5一 ， 男， 山西省晋 城人 ， 毕业 于太原 理工 大学， 现从事基层技术管理工作 2 ． 1 支架基本参数的确定 2 ． 1 ． 1 支 架支护 强度 的确定 目前 主要 的液压支架 支护强度 确定方 法有基 于 顶板结构分 析 的估算 法 、 基 于顶 板分 类 的支 架支 护 强度计算方 法 、 现场实测数 据 的回归公式 计算 法 、 基 于支架与围岩 相互 作用 关 系 的数值 模 拟计 算 法等 。 本 文采用基 于顶板 结构 分析 的估 算法 和基于 支架与 围岩相互作用关系的数值模拟计算法两种方法 比 较 ， 进而确定合理的液压支架支护强度 。 1 基于顶板结构分析的估算法 根据支架与围岩相互作用关系， 可将工作面支 架受力 的情况简化 为 直接 顶 的载荷 ， 基本顶 通过 直 接顶作用于支架的载荷 Q ， 。 直接顶载荷 Q L 。 1 式 中 一直接顶厚度 ， m； 一 悬顶距 ， m； 一 直接顶容重， k N ／ m 。 悬顶 距 ￡ 可 视 为支 架 的控 顶距 ， J ， 代 入 式 1 2 0 1 4 年 第 1 期 幽童髓晨 斜技 1 9 可得 Q 。 L 2 其载荷为 q 。 Y ． h 。 以直接顶载荷的倍数估算基本顶载荷 ， 工作 面 周期来压时形成 的载荷不超过平时载荷的两倍。因 此 ， 可得 出下述 关系 Pq l q 2 nY ． hy 3 式 中 p 一考虑直接顶及 基本顶 来压时 的支护强度 ； n 一基本顶来压与平时压力强度的 比值， 称为 增 载系数 ， 取 2 。 g X X h 为采高， K为岩石碎胀系数 ， 代入式 3 可得 4 K值一般取刚破碎时的碎胀系数 1 ． 2 5～1 ． 5 ， 代 入式 4 可得 P 2 2～ 4 M T 4～ 8 M 5 根据矿井实际地质条件 ， 3号煤层上分层工作 面 采 高 为 2 ． 6 5 m， 顶 板 岩 层 平 均 容 重 为 2 5 4 0 0 N ／ m ， 支 架 的 合 理 支 护 强 度 P 82 ． 6 52 5 4 0 0 0． 5 4MP a。 2 基于支架与围岩相互作用关系的数值模拟 计算法 2 0世纪 6 0年代 ， 国内外曾多次进行了支架工作 阻力 P与顶 板最 终 下沉量 △ ， J 之 间关 系的试 验 。根 据实验室 和现场 观 测成 果 ， 证 明 了工作 阻力 与 顶板 最终下沉量 △ 是 一近似 的双曲线 ， 称 为 “ P z l L ” 曲 线 。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。 基于 上 述 理 论 ， 根 据 矿 井 实 际 地 质 条 件 采 用 F L A C数值计 算 软件 进行 了模 拟。模 型采 用莫 尔一 库仑 M o h r C o u l o m b 屈服准则判断岩体 的破坏。 模型左、 右两边约束其 x方向位移， 底部约束其 x、 Y 两个方向的位移， 顶部无约束。模型采用的岩石力 学参数见表 1 所示。 根据数值模 拟结果， 得 到支护强度与工作面顶 板下沉量 曲线如 图 1 所示 。 表 1 计算采用的岩石力学参数 密度 体 积 剪切 内摩 粘结 煤岩名称 模 量 模量 擦角 力 k g mI 3 G P a G P a 。 MP a 细砂 岩 2 6 6 0 2 0 8 O 1 4 3 0 3 1 4 泥岩 2 3 9 0 2 ． 5 8 2 ． 4 5 2 9 6 煤 l 4 0 0 1 3 3 2 8 5 0 3 4 2 ． 5 砂质泥岩 2 4 l 0 1 4 6 0 l 2 4 O 2 9 2 细砂岩 2 6 5 0 2 O 8 O 1 4 3 0 3 1 4 图 1 支护 强度 与顶 板 下 沉 量 曲 线 通过对 图 1进 行分 析 发现 ， 支架 支 护强 度 与顶 板下沉量之 问 的拐点 均为 0 ． 6 M P a 左 右 ， 因此 ， 最 终 可确定 支架的合理支护强度为 0 ． 6 MP a 。 综合分析以上两种支架合理支护强度的计算方 法 ， 最 终 确 定 坪 上 煤 矿 液 压 支 架 的合 理 支 护 强 度 取 0 ． 6 MP a 。 2 ． 1 ． 2 支架结构高度 的确定 支架的最大高度 日⋯ M⋯ n 支架的最小高度 日 ⋯ M⋯一S 一b 式中 H ⋯一支架最大支护高度 ， m； 。 一 支架 最小支护高度 ， m； ⋯ 一 最大采 高 ， 2 ． 6 5 m； ⋯ 一 为最小采高， 2 ． 6 5 m； S ， 一分 别 为 前 后 柱 处 顶 板 下 沉 量 ， 取 0 ． 2 ～ 0 ． 3 m； n一支架支撑高度富余量 ， 0 ． 2 m； 6 一支柱伸缩量 ， 0 ． 0 5 m。 经 过计算 得到 ， 支 架 的最大 高度 为 2 ． 8 5 m； 支架 的最小 高度 为 2 ． 3 m。 2 ． 2 支 架主要 结构 形 式 常用的综采液压支架顶梁型式有整体顶梁和整 体顶梁 伸缩梁两种型式。整体顶梁结构简单 ， 顶 梁厚度较小 ， 可适应 较大范 围的开采 高度。整体 顶梁 伸缩梁具有较好的防护性能， 可对支架前端破 下转第 2 2页 枷瑚 ∞o 2 2 互娃震 科技 2 o 14 年 第 1 期 1 根据桃 山煤矿岩层力 学参数 和以往 的实践 ， 确定巷旁充填体宽度为2 m， 充填体抗压强度 8 ． 0 MP a 即能 满足沿 空留巷的要求 ， 根据 实验室试 验 ， 确定 采 用高水速凝材料与水的比例是 1 1 ． 5 ， 即 1 k g 高水 速凝 材料加 1 ． 5 k g 水 ， 该 水灰 比固结料的抗压强度为 1天 9 ． 1 MP a 。 2 当顶 板 稳定 完整 时 ， 巷道 顶板 采 用 “ q b 2 0 2 2 0 0 m m螺纹 钢锚 固锚 杆 钢 筋 梯子 梁 金 属菱 形 网 锚索 ” 的联 合 支 护形 式 ； 锚 杆 布置 形 式 为 三花 眼， 巷道顶锚杆问排距 8 0 0 8 0 0 m m； 锚索支护为 锚 索长度 8 ． 3 m每 3 ． 2 m打 1 根 ； 然后再用锚索加强支 护 ， 锚 索长度 6 ． 3 m， 每 4 m 打 2根 。顶 网规 格 LB 6 0 0 01 2 0 0mm。 施工时注 意利用 原 有 的还确 定 有效 的锚杆 、 锚 索等支护设 施 。 3 两帮支护 两帮采用 02 01 8 0 0 m m端 头 锚 固树 脂 玻璃 钢 锚杆并 加挂 网支 护 ， 锚 杆 问排距 8 0 08 0 0 ra m， 上排 帮锚 杆距 顶板 5 0 0 ra m， “ 矩形 ” 布 置 ， 帮 网规 格 LB 6 0 0 01 2 0 0 m m 或 L B1 5 0 01 0 0 0 m m。由于沿 空 留巷 围岩 发生 大变 形 难 以避免 ， 而 玻璃 钢 锚杆 支 护阻力小、 抗变形能力小， 实煤体帮仅采用玻璃钢锚 杆支护将极为困难 ， 因此， 将顺槽实煤体帮增加高强 度螺纹钢锚杆 支护 ， 增加 的帮螺纹 钢支护参 数 为 在 原每 2排玻璃钢锚杆之间增加一排螺纹钢锚杆 ， 加 钢筋 梯子 梁 ， 锚 杆 间排距 为 8 0 0 8 0 0 m m， 最 上 1根 帮锚 杆距 顶板 3 0 0 m m， 每根 锚杆 采用 一 支 Z 2 3 6 0树 脂药卷锚 固。 【 参考文献】 [ 1 ] 华心祝 ．我 国沿空留巷 支护技 术发展 现状 与改进 意 见[ J ] ．煤炭科学技术， 2 0 0 6 ， 1 2 1 2 7 8 8 1 ． [ 2 ] 漆泰岳． 沿空留巷整体浇注护巷带主要参数及适应 性[ J ] ． 中国矿业大学学报， 1 9 9 9 ， 3 2 1 2 2～1 2 5 ． [ 3 ] 黄王成， 孙恒虎．沿空留巷护巷带参数的设计方法 [ J ] ． 煤炭 学报 ， 1 9 9 7 ， 4 5 8 6 1 ． [ 4 ] 张俊云 ， 柴敬． 沿空留巷研 究 中若干 问题分析 [ J ] ． 矿 山压力与顶板 管理 2 0 0 0 ， 1 3 8 ～3 9 ． [ 5 ] 孙春东． 新型高水材料巷旁充填沿空留巷技术[ J ] ． 煤矿 开采 ， 2 0 1 0 ， 2 1 2 91 3 1 ． 上接 第 1 9页 碎顶板进行 有效防护 。由于工作 面直接顶 为 2 ． 8 0～ 8 ． 5 0 m厚 的泥岩 ， 选用整体顶梁 伸缩梁 的结构 。 3 支架主要技术参数 根据支护强度、 支架高度计算结果， 结合工作面 条件 ， 工作 面液压支架确 定为 Z Y P 4 0 0 01 7 ／ 3 7型支 撑掩 护式液压支架 ， 其主要技术参数见表 2 。 表 2 Z Y P 4 0 0 01 7 ／ 3 7型液压支 架主要技术特征表 序号 名称 型号 单位 备注 1 支架架 型 支撑掩护式 2 支架工作阻力 3 9 2 0 k N 3 支架额定初撑力 3 0 7 7 k N 4 支架高度 1 ． 7 ～3 ． 7 m 5 中心距 1 ． 5 0 m 6 支护强度 0 ． 6 4 7 MP a 7 底 板 比压 1 ． 7 5 MP a 5 5 0 01 4 2 0 长 宽 8 运输尺寸 m m 1 7 0 0 局 4结语 综合考虑坪上煤矿的工作面地质条件， 确定 了 Z Y P 4 0 0 0 1 7 ／ 3 7型支撑掩护式液压支架是适 应 3号 煤层分层综 采 的最优 架 型 ， 确 定 了支 架 的 支护 强度 为 0 ． 6 M P a ， 能够 满足矿井的生产需要 。同时 ， 该架型 还兼顾了下分层综采开采的需要， 减少了投资、 提高 了设备利用率， 方便了设备管理及备件组织。 【 参考文献】 [ 1 ] 宋 日彪， 牛玉 生．液压 支架选型研 究的现 状 、 发展趋 势及应用[ J ] ．煤炭科技 ， 2 0 1 1 4 ． [ 2 ] 赵明．麻家梁煤矿放顶煤工作面液压支架选型[ J ] ． 煤矿开采 ， 2 0 1 1 ， 1 6 4 ． [ 3 ] 任彦荣， 靳永清．韩家湾煤矿 1 2煤层液压支架选 型[ J ] ．煤矿 开采 ， 2 0 0 9 ， 1 4 4 ． [ 4 ] 吴燕飞， 侍大军．浅埋深煤层大采高工作面液压支架 选型及应用研究[ J ] ．山东煤炭科技， 2 0 1 3 2 ．