超强矿压综放工作面支架工作阻力优化研究.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 超强矿压综放工作面支架工作阻力优化研究 郎 军 .中国矿业大学江苏 徐州 .伊泰京粤酸刺沟矿业有限责任公司内蒙古 鄂尔多斯 摘 要针对酸刺沟煤矿工作面回采初期矿压显现强烈、工作面顶板下沉量大、压架事故频发的问题 采用现场实测与理论分析相结合的办法对酸刺沟煤矿 上 综放工作面压架机理及液压支架工 作阻力优化进行分析研究 研究结果表明工作面冒采比小、直接顶韧性高悬顶距大、顶煤超前冒落 导致顶板回转量大、支架工作阻力发挥不充分工作面顶板下沉量大于 基于位态方程从控 顶效果出发计算支架临界工作阻力通过更换安全阀提高泵站压力将旧支架工作阻力提升至 工作面顶板下沉量小于 通过比较支架均值阻力、支架均值偏阻力、支架均值上阻 力及额定工作阻力对应的顶板下沉量及其超限比例确定待采工作面新支架额定工作阻力为 实测顶板下沉量小于 关键词综放工作面工作阻力控顶效果位态方程 中图分类号 文献标志码 文章编号 . . . . . . . . . . . 收稿日期责任编辑曾康生 / 作者简介郎 军男内蒙古巴彦淖尔人高级工程师硕士 . 引用格式郎 军 超强矿压综放工作面支架工作阻力优化研究 煤炭科学技术 . 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 引 言 支架合理工作阻力的确定是工作面顶板控制及 液压支架选型的重要研究内容 随着综放及大采高 综放开采技术的推广厚煤层工作面采动影响 范围增大上覆顶板结构及运动规律呈现新的特 点部分综放工作面支架工作阻力不合理出现 支架适应性不足的问题 鄂尔多斯地区酸刺沟煤矿 上 首采工作面回采初期由于对上覆顶板结 构及其运动规律认识不充分额定工作阻力 的综放支架适应性不足支架选型不合理引起工 作面发生多次压架事故对工作面设备、人员造成了 极大的破坏和危害 为保证工作面安全生产需要 对 上 工作面压架机理及合理支架工作阻力 确定进行研究 近年来关于综放采场顶板结构、运动形式及工 作面支架合理工作阻力的确定我国在这领域研究 取得了丰富的成果刘长友等基于“关键层” 理 论分析了大采高综放开采上覆多岩层厚硬顶板的 垮落组合形式及其运动特点给出了此类采场条件 下支架工作阻力确定的原则及理论计算方法孔令 海等通过微震监测、相似模拟实验及现场支架工 作阻力实测等方法研究了塔山煤矿顶板运动特 点并确定了顶板不同运动阶段支架压力的来源 闫少宏等分析了大采高采场顶板“悬臂梁 铰接岩梁”结构成因及其运动特点并给出了此类 采场支架工作阻力的计算公式于雷等采用理 论分析方法得出了综放采场 “悬臂梁铰接岩 梁”结构下支架工作阻力的解析计算式并进行了 试验验证范韶刚等在理论计算的基础上通过 大量实测数据回归出了综放支架工作阻力的计 算公式 以上研究结果多通过顶板结构计算顶板来压时 的顶板压力从而确定支架合理工作阻力但其计算 过程复杂需要参数众多具体实践过程中很多参 数难以精确取得 笔者以酸刺沟煤矿 上 综 放工作面压架事故为背景通过现场实测和理论分 析对压架机理进行研究同时对工作面实测矿压数 据进行分析处理基于位态方程从顶板控制效果出 发研究确定支架的合理工作阻力 工程地质条件 酸刺沟煤矿位于准格尔煤田中部主采的 上 煤层位于石炭系上统太原组煤层平均埋深约 工作面走向长度 倾向长度 煤层 平均厚度 倾角 采用 // 型四柱支撑掩护式放顶煤支架额定工作阻力 支护强度 . 初撑力 煤层顶板多为粗粒砂岩、泥岩和细粒砂岩底板多为 泥岩、砂质黏土岩局部为粗粒砂岩 上煤层直接 顶的含砾粗砂岩抗拉强度 .. 平均. 泥岩抗拉强度 . . 平均 . 工作面设计年产 万 工作面推进至 时 号支架严重损坏推进至 时工 作面顶板大面积来压支架安全阀大面积喷射状开 启 号支架压力大单采煤循环 . 内活 柱下缩量约 号支架压死 号、 号支架大部分被压死 工作面开采初 期压架事故频发严重影响工作面安全生产 压架机理分析 . 顶板结构及运动特点 通过在 上 工作面进行顶煤结构钻孔探 测、覆岩导水裂隙带观测、地表钻孔深基点岩移及综 放支架实测工作阻力分析得出了工作面初采阶段 综放采场顶板结构模型如图 所示 基本顶 上位直接顶 下位直接顶顶煤割煤 图 工作面初采阶段综放采场板结构模型 . 综放采场顶板结构模型主要特征分述如下 顶煤 顶煤厚约 超前支架切顶线约 冒落冒落线位于支架前后柱之间 直接顶组成及运动特点 直接顶厚约 主体岩层为直接覆盖在 上煤层之上的含砾粗砂岩 和泥岩单层厚度约 含砾粗砂岩和泥岩其最 大抗拉强度分别为 . 和 . 由于岩 石抗拉强度较大导致岩层断裂步距增大顶板表现 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 郎 军超强矿压综放工作面支架工作阻力优化研究 年第 期 为“长悬顶”特征 基本顶组成及运动特点 由于工作面存在 明显的顶板周期来压显现因此基本顶的周期性断 裂是其主要运动特征 工作面基本顶主体岩层为粗 砂岩厚度 周期断裂步距约 采空区充填率低基本顶回转量大 采空区 基本顶回转量为 其中 为基本顶回转量 为采高取 . 为顶煤厚度取 为顶煤采出率取. 为直接顶厚度取 为直接顶碎胀系数 . .取 . 代入数值计算得 . 基本顶形成稳定结构后令基本顶回转角与顶 煤回转角相同工作面顶板最大下沉量为 / 其中 为基本顶自由沉降至最低位态时工 作面顶板最大下沉量 为控顶距取 为基本顶来压步距取 代入数值计算得 . 此处未考虑直接顶及顶煤的压缩 变形 . 压架分析 顶板结构特点及其运动规律决定了综放支架工 作阻力显现方式通过分析工作面顶板结构确定导 致压架事故的原因有 条 冒采比小 工作面开采初期采高 . 放 煤高度为 . 而直接顶厚度约 冒采比约为 . 当冒落直接顶完全充满采空区、基本顶下沉 量为 时最优冒采比约为 . 工作面实际冒采 比远小于最优冒采比 冒采比小决定放煤后采空区 充填率低基本顶回转量和工作面顶板下沉量大来 压时工作面综采支架动载系数高约为 .、活柱 缩量大单循环内最大活柱缩量达 如果 支架剩余缩量小于实际活柱缩量则将发生压架 事故 顶板韧性强 直接顶不随采随落以悬臂梁 的形式周期性垮落悬顶距 为支架控顶距 的 倍 直接顶长悬顶一方面导致来压加剧另一 方面降低了采空区充填率导致基本顶运动空间 加大 顶煤超前冒落 支架后方悬空支架受载 不均前柱液压均值为 . . 后柱液 压为 .. 后柱的利用率低工作阻力 发挥不足 来压时前柱增阻快压力大于后柱出 现栽头及拔后柱现象整架工作阻力发挥程度大 幅下降来压时支架工作阻力平均 远小于支架额定工作阻力支架整架阻力利用 率低 支架工作阻力优化 为防止压架事故再次发生对工作面支架合理 工作阻力进行优化 . 支架升级更新 在了解顶板结构特点及顶板运动规律、保证安全 生产的基础上对现有支架进行升级 目前支架存在 的主要问题是其工作阻力无法充分发挥对顶板控制 效果差来压时支架动载系数及活柱缩量大 提高现 有支架对顶板控制效果主要从提高支架额定工作阻 力和支架工作阻力发挥效率 个方面着手 .. 提高支架额定工作阻力 实用矿山压力理论基于梁式结构的力学模型 提出了确定支架工作阻力的位态方程的概念和表达 式为 式中为支护强度 为直接顶作用力 为位态常数为某控制状态 下工 作面顶板下沉量为基本顶厚度为基 本顶密度/ 为基本顶岩重系数取 基于上述有关参数的回采工作面顶板控制位态 及参数如图 所示 图 回采工作面顶板控制位态示意 . 由于 为支架的支护面积因此在 实际应用中上式可变换为 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 式中 顶板来压时实测支架工作阻力顶板 来压前实测支架工作阻力 根据 上 工作面支架工作阻力实测 计算得 式为该工作面用支架工作阻力表示的顶板 位态方程据此也可以通过实现“支架限定变形” 工作状态而抑制工作面顶板的下沉 已知工作面顶板下沉量 时 工作面采高大于 能基本满足采放工艺要 求但 时支架工况很差 根据式 计算上述顶板下沉量对应的支架工作阻力区间 称区间的支架 实际工作阻力为该工作面控顶要求的支架临界工作 阻力 实测表明现有支架充分发挥额定工作阻力 时顶板下沉量仍大于 控顶效果差作为临 时补救措施对现有支架进行升级即提高前后柱安 全阀额定开启压力由 . 分别提高至 . 和 由此支架额定工作阻力由 提升至 此时工作面顶板下沉量由式 计算得 支架处于限定变形状态在支 架临界工作阻力条件下顶板下沉量较大也能满足 正常生产 .. 提高支架工作阻力发挥效率 提高泵站压力 将泵站压力由 . 提 高至 . 保证支架具有足够初撑力可以抑 制顶板早期下沉 保证支架合理工作状态 采取及时移架和 限量放煤等方法减少顶煤冒落将支架顶梁仰俯角 变化范围控制在防止后柱受力过小甚至出现 拉力 . 新支架选型 通过支架升级一定程度上提高了支架对顶板 的控制能力但实测表明仍不满足顶板下沉量较小 的控顶要求 新支架选型主要包括 个方面支架 合理工作阻力、支架结构 .. 支架合理工作阻力的确定 上 工作面顶板结构复杂多变理论计算 参数多且难以获得 从实测矿压数据出发确定支 架合理工作阻力是有效的方法 据工作面顶板下沉量 的大小可来判定工作 面顶板控制效果 该工作面矿压显现强烈分别取 、 和 作为工作面控顶效果的划分标 准将工作面控顶效果划分 个区间即 、 、 、 相应为极好、 好、中等和差 个等级 顶板控制效果标准见表 表 工作面顶板控制标准 序号 顶板下沉量 / 顶板控制效果级别极好好中差 对工作面 个重点支架工作阻力进行统计来 压时 个支架平均工作阻力 均方差 工作面来压前支架工作阻力 工作面实测来压时顶板下沉量 实 测 正 常 来 压 期 间 顶 板 下 沉 量 约 为 根据压架时基本顶自由沉降至最低位态 时工作面最大下沉量 定义来压时支架平均偏阻力 为均方差系数此处取值为 代入数值计算得 定义来压时支架平均上阻力 为均方差系数此处取值 .通过位态方 程式按顶板控制效果为“好” 时反算得到 代入数值计算得 按式分别计算出支架均值阻力 、来压时 支架均值偏阻力 、来压时支架均值上阻力 及现 支架额定工作阻力 相应的顶板下沉量见表 表 不同支架工作阻力及顶板控制效果 项目 支架工作阻力/ 顶板下沉 量/ 实测 控顶效果级别中差中好 由表 可知当支架工作阻力为 时工作面顶 板下沉量 控顶效果为“差”当支架工 作阻力为 、 时工作面顶板下沉量分别为 和 控顶效果为“中”当支架 工作阻力为 时工作面顶板下沉量为 控顶效果为“好” 比较控顶效果支架工作阻 力为额定工作阻力 、来压支架均值上阻力 时 顶板下沉量分别为 、 区别不大 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 郎 军超强矿压综放工作面支架工作阻力优化研究 年第 期 进一步考虑工作面来压时 个重点支架循环末 阻力超过 、 、 和 的超限比例最终确定支架 合理工作阻力 工作面来压时 个重点支架循环末阻力超过 、 、 和 的超限比例见表 按 种统计口 径一种是超限值占来压持续过程统计循环数 比 例称作 另一种是超限值占循环总循环数 比 例称作 表 工作面 重点支架循环末阻力超过 个工作阻力的比例 序号 工作阻力/ 支护强 度/ 比例 类型 个支架超限比例/ 号 号 号 号 号 号平均 . ...... ...... . ....... ....... . ....... ....... .. .. .. 由表 可知支架工作阻力为 时支架超限比 例较支架工作阻力为 时大很多且支架工作阻力 为 时、类均小于 确定 . 为支架合理工作阻力取整后为 .. 支架结构优化 针对顶煤超前支架切顶线冒落支架受载不 均支架顶梁适应合力作用点变化范围应尽量大支 架顶梁前柱窝的位置尽量前移调整支架的合力作 用点位置和增加支架顶梁前端的控顶能力 针对支架初撑力发挥不足应提高综放液压 支架的初撑力保证支架初撑力符合控顶要求 针 对顶板难冒性特点要提高支架的切顶能力 针对来压时动载系数大顶煤冒落严重对 顶梁结构进行优化设计解决大采高综放工作面煤 壁片帮的防护及片帮问题 由于工作面动载系数大顶板冲击载荷大 来压非常强烈为保证立柱压力快速释放研发大流 量安全阀 由于超大工作阻力支架立柱缸径大一 般回液措施下不能满足快速降柱要求研发快速回 液技术保证快速移架 为实现工作面安全高效生产针对工作面地 质条件通过支架电液控制技术研究提高工作面自 动化水平满足生产要求 通过支架合理工作阻力及支架结构优化最 终确定 上 待采工作面换用当时国内外首套 最大工作阻力的 / / 四柱放顶煤 支架 工程应用实例 上述对综放支架优化的研究与应用反映了对酸 刺沟顶板结构特点、顶板运动规律及支架选型技术 认识的深化和实践深入过程 各项支架优化方案依 次在酸刺沟煤矿 个综放工作面应用支架优化选 型技术实施生产效果见表 表 综放工作面支架优化技术实施生产效果 支架优化技术实施 工作面 回采阶段 平均 煤厚/ 最高 月产量/ 万 平均 月产量/ 万 回采 工效/ 工 采出 率/ 顶板 下沉量/ 未实施上 工作面开采初期... 实施旧支架升级 上 工作面开采后期 ... 新型支架上 工作面全面回采.. 由表 可知上 工作面开采初期顶板最大下沉量大于 压架事故频发严重影响安 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 全生产实施旧支架升级后顶板最大下沉量控制在 左右保证了煤矿安全生产实施新支架优 化选型后上 工作面顶板下沉量在 以 内保证了工作面高产高效 结 论 通过顶煤结构钻孔探测、覆岩导水裂隙带观 测、工作面地表钻孔深基点岩移及综放支架工作阻 力实测得到酸刺沟煤矿 上 工作面顶板结构 特点及运动规律冒采比 .直接顶悬顶距为 顶煤超前冒落是矿压显现强烈、压架事故频发 的主要地质原因 通过建立位态方程计算综放支架临界工作 阻力通过提高旧支架安全阀开启压力将支架额定 工作阻力提高至 辅以提高泵站压力控 制支架姿态等措施提高支架工作阻力发挥效率加 强支架对顶板的控制效果工作面顶板下沉量小于 根据顶板下沉量确定顶板控顶效果提出来 压时支架均值偏阻力 、来压时支架均值上阻力 利用位态方程分别计算支架均值阻力 、来压 时支架均值偏阻力 、来压时支架均值上阻力 及 额定工作阻力 相对应的顶板下沉量分析比较支 架不同阻力时顶板控顶效果及支架循环末阻力超限 比例最终确定新支架额定工作阻力为 并对支架结构进行优化工作面换用新支架后实测 表明顶板下沉量小于 参考文献 王金华.我国大采高综采技术与装备的现状及发展趋势.煤 炭科学技术. . . . 王金华.特厚煤层大采高综放开采关键技术.煤炭学报 . . . . 李明忠张德生刘壮等.. 大采高综采工作面超前支 护技术研究及应用 煤炭科学技术. . . . 毛德兵姚建国.大采高综放开采适应性研究.煤炭学报 . . . . 吴士良刘思利.综放工作面顶板运动规律及支架围岩关系 研究.煤炭科学技术 . . . . 闫少宏尹希文.大采高综放开采几个理论问题的研究.煤 炭学报. . . . 匡铁军.特厚煤层大采高综放工作面端部覆岩活动规律研究 .煤炭科学技术. . . . 刘长友杨敬轩于 斌等.覆岩多层坚硬顶板条件下特厚煤 层综放工作面支架阻力确定.采矿与安全工程学报 . . . . 孔令海姜福兴王存文.特厚煤层综放采场支架合理工作阻 力研究.岩石力学与工程学报. . . . 闫少宏.特厚煤层大采高综放开采支架外载的理论研究. 煤炭学报. . . . 闫少宏尹希文许红杰等.大采高综采顶板短悬臂梁铰接 岩梁结构与支架工作阻力的确定.煤炭学报 . . . . 于 雷闫少宏刘全明.特厚煤层综放开采支架工作阻力的 确定.煤炭学报. . 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 郎 军超强矿压综放工作面支架工作阻力优化研究 年第 期 . . 范韶刚闫少宏毛德兵等.确定综放支架工作阻力的统计类 比法.矿山压力与顶板管理. . . . 郭卫彬刘长友吴锋锋等.坚硬顶板大采高工作面压架事故 及支架阻力分析. 煤炭学报. . . . 徐 刚.顶板富含水特厚煤层综放开采压架成因与防治. 煤炭科学技术 . . . . 穆玉兵马资敏吴士良.综放工作面直接顶冒采比及顶板韧 性与矿压显现的关系分析.矿业安全与环保 . . . . 谭云亮.矿山压力与岩层控制. 北京煤炭工业出版 社. 王国法.放顶煤液压支架与综采放顶煤技术.北京煤炭 工业出版社. 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