415 m 大采高掩护式支架的设计及应用.pdf

特约专稿 415 m大采高掩护式支架的设计及应用 Ξ 张守祥 李炳涛 王 建 王彪谋 北京煤矿机械厂 摘 要 分析了开滦矿区煤层采高大、 顶板较破碎、 煤壁易片帮、 底板较软的特点, 探讨了大采高支架的设计特点、 性能要求及技术参数的选择,并对开滦矿区钱家营矿 应用效果进行了分析。 关键词 大采高 掩护式支架 结构分析 性能特点 应用 我国综合机械化采煤从70年代开始,经过 二十多年的发展,开采了各种地质条件的煤层, 积累了一定的经验和教训。特别是采高比较大、 顶板比较破碎、 煤壁易片帮、 底板比较软的地质 条件下的开采,在设计、 制造、 使用等方面都有了 比较深刻的认识。厚煤层一次采全高因其独特 优势,具有广泛的使用前景。采用厚煤层一次采 全高两柱掩护式支架具有煤炭资源采出率高,对 复杂地质条件适应能力强的优点,并且两柱大采 高支架具有比同等四柱支架重量轻、 经济效益好 的特点。在开滦矿区类似上述地质条件的煤层 占有很大的比例,在全国范围内储量也相当丰 富。因此,研制合适的综采大采高支架,不但可 解决类似开滦地质条件下的开采,而且对全国综 采技术的发展必将有很大的促进作用。 1 钱家营矿7煤层、12煤层综合地质概况 钱家营矿7煤层平均厚度316 m ,倾角10, 伪顶为泥页岩,平均约110 m ,直接顶为粉砂岩, 平均2138 m ,基本顶为细砂岩,平均约214 m ,底 板为粉砂岩,平均112 m ,直接顶初次垮落步距为 1214 m ,强度因数59194 ,基本顶初次来压步距 27155 m ,充填因数1128 ,基本顶周期来压步距 1016 m ,煤 的 比 压12133 MPa ,刚 度 系 数 01297 MPa/ mm ,底板比压1118 MPa ,刚度系数 0124 MPa/ mm。 12煤层的平均厚度415 m ,倾角12,顶板属 Ⅱ 级中等稳定,来压明显,底板松软。伪顶为泥 页岩,约110 m ,直接顶为粉砂岩,约414 m ,基本 顶为粉砂岩,约718 m ,底板为粉砂岩,约718 m。 直接顶初次垮落步距1314 m ,强度因数5617 ,基 本顶初次来压步距3115 m ,充填因数211 ,基本顶 周期来压步距12 m ,煤的比压1115 MPa ,刚度系 数01456 MPa/ mm ,底板比压10197 MPa ,刚度系 数01099 8 MPa/ mm。 2 大采高支架的一般技术要求 大采高支架是指最大高度大于318 m ,用于 综采工作面一次采全高的支架。 在设计时应从以下几个方面进行考虑①优 化支架参数,提高支架的稳定性;②厚煤层一次 采全高,应解决煤壁片帮问题,设置较完善的护 帮装置;③提高调架机构的调架能力;④增强平 衡千斤顶的调节能力;⑤设计新型的推移机构和 底座;⑥可靠的快速大流量液压系统;⑦提高支 架的整体可靠性。 3 支架主要结构及技术参数的选择 ZY3600/ 20/ 45型掩护式支架带有双纽线机 构。主要由底座、 前后连杆、 掩护梁、 顶梁、 伸缩 前梁、 护帮机构、 推移机构、 液压系统等组成,见 图1。 311 高度的选择 根据两柱掩护式支架设计规范,充分考虑开 1煤 第7卷第5期 Ξ煤炭部科技开发攻关项目95 - 405 图1 ZY3600/ 20/ 45型掩护式支架 滦矿区7煤层、12煤层的赋存情况、 煤层有构造 和断层的特点,以及支架的运输高度,既照顾最 大高度,又使支架具有最大适应性,确定支架最 大结构高度415 m ,最小结构高度210 m。在支 架运输半解体时运输高度不超过117 m。这将对 支架安装拆卸带来很大方便并大量减少拆装。 312 工作阻力和初撑力 根据原煤炭部“缓倾斜工作面顶板分类方 案” 的分类标准,照顾7煤层、12煤层共同特点和 开滦其它煤层特点,结合邻近地质矿压观测资料 以及实际开采的7煤层、12煤层矿压显现,确定 支架平均支护强度p 016 MPa。 支架支护面积为518 m2,支架的平均支撑效 率为0198。 支架工作阻力p阻p支护面积/支撑效 率 3 551 kN。 经过圆整并考虑到两柱掩护式支架的特点, 确定支架工作阻力为3 600 kN。立柱缸径为 250 mm ,额定压力为3115 MPa ,立柱安全阀调定 压力为3616 MPa ,每根立柱初撑力1 546 kN ,工 作阻力1 800 kN。 313 端面距 由于支架采用了双纽线机构,则该机构设计 的优劣,直接影响到支架的结构尺寸、 性能和受 力状况。在双纽线机构的设计中利用电子计算 机优化程序。优化程序约定三个条件,第一是支 架整体尺寸要小;第二是支架整体受力最小;第 三是将第一条和第二条综合约束。这样选出的 双纽线机构使大采高支架的端面变化曲线近似 直线,且支架整体受力较小,支架结构尺寸紧凑, 重量较轻。 314 底 座 对于软煤层,考虑底座结构尤为重要。为便 于行人且使支架纵向结构紧凑,采用取消前底座 过桥形式,推移缸连接耳座由整体铸件直接焊在 底座前端裆内。根据开滦局资料,现在常用的底 座前过桥,对加强底座整体强度具有很大优点, 但是也存在很大弊端,过桥厚度越厚,支架越笨 重,对行人通道空间影响越大。该支架经过精心 计算,在大采高支架上大胆采用取消前过桥设 计,为今后支架取消过桥设计开辟了一条新路。 支架通过国家检测中心试验和井下工业试验,效 果良好。 315 推移机构 本支架设计采用倒置式推移千斤顶,长框架 推移机构。该推移机构推移千斤顶缸径大,采用 大流量快速推移系统,使支架推移顺利。另外, 采用双圆钢框架,选用高强度弹簧钢,不仅强度 高,而且有很好的刚性和弹性,使推杆在受侧向 力时可以弹性变形,适应输送机窜动和有一定倾 角的煤层。双布置的框架比钢板组合焊接式框 架具有更好的过煤空间,方便移架。 316 侧护装置 对顶板比较破碎的大采高支架,架间密封侧 护性能十分重要。为了增加架间密封能力,并且 便于侧护装置在支架侧向倒架时有较强调整能 力,侧护装置采用两条重要措施第一,将侧推千 斤顶由目前常用缸径63 mm提高到80 mm ,由此 对顶梁、 掩护梁、 后连杆都采取了相应的新结构, 掩护梁侧护板置于顶梁侧护板之外,加大缸径后 支架侧推能力明显加强;第二,侧推弹簧不但增 大预紧力,而且将侧推弹簧刚度进一步加大。 317 导向式伸缩前梁及铰接式护帮机构 从开滦矿务局早期使用进口支架和使用北京 煤机厂的多套液压支架情况看,前梁伸缩机构和 护帮机构是支架能否成功适应开滦地质条件的 关键部位之一。支架设计采用的导向式伸缩前 梁机构,用两根800 mm行程伸缩油缸带动伸缩 梁;导向式伸缩梁具有比一般伸缩梁更大的抗弯 断面,且较薄。前梁和顶梁铰接采用整体铸钢件 耳子连接,使连接强度提高,前梁可沿水平往上 挑起15,往下15 。尖端承载力大,既可有效护 顶,又适应顶板的不平整性。该支架设计采用的 铰接护帮机构,设计思想是既要能有效防止片帮 又要在收回状态不影响采煤机过煤高度,使支架 2Coal 5/ 1998 适应更大采高。根据开滦7煤层、12煤层煤壁片 帮机理,该支架护帮机构正常护帮范围可达到最 大采高的1/ 3。 318 平衡千斤顶 设计中充分考虑了大采高掩护式支架的平衡 千斤顶的受力状况,对受力恶劣的连接耳结构进 行了改进,使之受力状况良好;采用180 mm缸径 平衡千斤顶,克服了一般支架平衡千斤顶易损坏 的缺点,同时提高支架整体支护能力。 319 大流量液压系统 减少工作面支架降、 移、 升工作循环时间,对 于煤壁支护和顶板维护及综采工作面的高产高 效非常重要,为此在支架液压控制系统上采用了 BZF大流量快速移架系统。系统主进液采用 D3115 mm高压胶管,主回液采用D40 mm胶 管,操纵阀进回液腔为D16 mm ,立柱下腔液体 实行旁路快速回液。 4 支架主要技术特征 支架高度 2 000 mm～4 500 mm ;初撑力 3 092 kN ;工 作 阻 力 3 600 kN ;支 架 中 心 距 1 500 mm ;平均支护强度016 MPa ;对底板比压 1115 MPa ;推溜力277 kN ;拉架力633 kN ;操 作方式邻架操作;泵站压力3115 MPa ;配套设 备MXA380E/ 415型采煤机,SGZ730/ 320型 刮板输送机。 5 应用效果 该支架从1995年10月至1996年4月在开 滦钱家营矿1277工作面进行了为期7个月的工 业性试验,对支架的总体性能、 伸缩梁效果、 推移 机构效果、 调架性能等进行了试验和验证,通过 了基本顶来压和周期来压及17条断层的考验, 取得了良好效果。 511 支架的可靠性较好,支架结构紧凑、 受力合 理、 重量轻;导向式伸缩机构和铰接式护帮机构 使用灵活方便;采用了大流量液压系统;立柱、 千 斤顶采用双层镀铬工艺,是国内支架中较好的。 512 与国内外同类技术比较,该支架用于厚煤 层一次采全高工作面,特别是采高比较大、 顶板 比较破碎、 煤壁易片帮、 底板比较软的地质条件 下的开采,大大简化了采煤工艺,减少了设备投 资,降低了辅助材料的消耗,吨煤成本下降,工效 较高,是较为理想的支护设备之一。 513 直接经济效益和社会效益明显,工业性试 验期间,7个月共产原煤691 065 t ,该支架创该 局同类支架稳产最高水平。由于该套支架比较 适应开滦的条件,开滦矿务局已将该套支架确定 为该局大采高支架主力架型。 514 鉴于支架设计、 制造及使用情况,ZY3600/ 20/ 45型掩护式支架已于1996年通过煤炭工业 部部级鉴定煤部科鉴字[1996 ]245号。 第一作者简介 张守祥,男,1966年生,工程师。1989年毕业于北 京石油化工学院,现主要从事设计开发研究工作,发表论 文多篇。地址北京市房山区,邮编102400。 收稿日期1998Ο08Ο04 责任编辑 李月成 葛泉煤矿陷落柱超前探测获得成功 邢台矿业集团葛泉煤矿是河北省煤矿中陷落柱最发 育的矿井,现已揭露陷落柱42个。为有效预防陷落柱、 断层及其他地质构造突水,保障煤矿安全,邢台矿业集 团、 葛泉煤矿、 河北煤研所、 西安分院共同承担了 “邢台 矿务局葛泉煤矿陷落柱及构造超前探测研究” 项目, 1998年8月29日通过了河北煤管局组织的专家鉴定。 课题组经过一年多的探索研究,在葛泉煤矿、 章村三 井及磁县观台矿、 岗头三矿等地取得了很好的探测效果。 减少了巷探及其他无效掘进工作量和钻探工程量,解放 了大批受水威胁的煤炭储量,延长了矿井服务年限,为今 后陷落柱预测及突水预防提供了重要的地质依据。 河北煤研所通过大量的现场试验,成功地开发出三 点源法井下超前探测技术,在电法超前探测领域中有所 突破,尤其是在突出有效异常、 判别异常体方位等方面, 效果显著。对葛泉矿及其他类似矿井具重要指导意义。 鉴定认为该研究成果具有实用价值,为矿井生产提供了 一种有效的探测手段,为超前探测的深入研究奠定了基 础。该项研究成果具国内先进水平,三点源法井下超前 探测技术在国内居领先水平。王朝阳 3煤 第7卷第5期