6 m以上大采高液压支架稳定性分析与控制措施.pdf

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 收稿日期 2009 - 07 - 31 作者简介孙 攀1982 , 男,河南开封人,助理工程师, 2005年 毕业于河南理工大学,现从事煤矿综采工作面液压支架设计工作。 6 m以上大采高液压支架稳定性分析与控制措施 孙 攀,李 阳,郭丹丹 郑州煤矿机械集团股份有限公司,河南 郑州 450013 摘要随着对厚煤层、 倾斜煤层的开采,液压支架的稳定性成为特厚倾斜煤层综采工作面开采的难点问题。 ZY10000/28/62型大采高液压支架是针对宁煤集团羊场湾煤矿2煤层设计的,以ZY10000/28/62为例,探寻 了6 m以上大采高支架稳定性的影响因素,并分析了支架倾倒的原因,从而得出提高大采高支架稳定性的措 施。对综采工作面液压支架的设计工作具有指导意义。 关键词倾斜煤层;大采高液压支架;稳定性分析 中图分类号 TD355144 文献标识码A 文章编号 1003 - 05062009 10 - 0014 - 02 Stability Analysis and ControlM ethods on Above 6 m Hydraulic Supports with LargeM in ing Height SUN Pan,L I Yang, GUO Dan2dan Zhengzhou CoalM ineM achinery Group Co . , Ltd. , Zhengzhou 450013, China AbstractThe stability of hydraulic supports in thick coal seam, inclination seam is a fundamental problem. ZY10000/28/62 hydraulic supportwas designed according to the conditionsof 2coal seam in Yangchangwan CoalMine ofNingxia Coal Industry Group. The paper took ZY10000/28/62 as an example, to explore stability of above 6 m hydraulic supports with large mining height, and to analyze the reasons for toppling, so as to bring forward themeasures to the stabilityof hydraulic supports in highmining inclination coal seam,which is also as guidance to the design of hydraulic support in fully2mechanized working face. Keywords inclination coal seam; hydraulic supportwith large mining height; stability analysis 我国西部煤炭资源储量丰富,随着21世纪我国 矿产资源开采重点西移,煤炭开发已成为西部地区 经济发展的重要支柱。但是,我国西部煤层较厚,并 且有一定的倾角,目前我国对厚煤层、 倾斜煤层开采 尚存在着一系列难以解决的基本技术难题,其中,提 高6 m以上大采高液压支架的稳定性是特厚倾斜煤 层综采工作面开采的一个基本问题。 郑州煤矿机械集团股份有限公司针对宁煤集团 羊场湾煤矿2 煤层 煤层可采厚度4142～10115 m, 平均71 2 m 设计了ZY10000 /28 /62型大采高液压 支架。在设计过程中,对影响大采高液压支架稳定 性的因素进行了分析,对支架设计进行了改进,提高 了支架的稳定性,有效保障了安全生产。 1 工作面地质条件 宁煤集团羊场湾煤矿2 煤层倾角一般 8～15, 局部20 左右在6 m左右采高范围最大的倾角 , 走向方向煤层起伏坡度一般为8,最大可达14 。 煤层可采厚度4142～10115 m,平均7120 m,f2～ 3,韧性指标9～10。2 煤层伪顶岩性为泥岩、 炭质 泥岩,厚度0112～0179 m,随采随垮。底板除井田 中部 16 52线间多为细砂岩外,其余均以粉砂岩 为主,泥岩次之。 2 影响大采高支架稳定性的因素 2. 1 横向稳定性 液压支架的横向稳定性是指支架在运动过程 中,支架结构与对称中心平面垂直方向保持稳定的 特性。大采高支架横向不稳定是指大采高支架顶梁 相对底座沿采煤工作面方向偏离原横向设计位置, 有3种具体情况顶梁与底座发生相对角位移;顶梁 与底座发生相对线位移;顶梁平面相对底座平面有 一横向夹角。 2. 1. 1 四连杆机构销轴孔间隙的影响 41 2009年第10期 中州煤炭 总第166期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 四连杆机构是液压支架的稳定机构,其主要作 用是保证支架纵向和横向的稳定,规范顶梁升降过 程中的运动轨迹。支架的各个部件之间是用销轴连 接的,铰接处的孔轴配合存在一定的间隙,孔轴间隙 的大小直接影响支架的横向稳定性。若沿用支架以 前的孔轴配合间隙,由于大采高支架支撑高度大,即 使在水平的工作条件下,支架也会产生歪斜、 扭转甚 至倒架。在有倾角的煤层条件下,支架的稳定性更 加难以控制。通过对支架理论计算和井下实际工作 时的观测表明,支架在支撑高度大于415 m时,顶梁 横向偏移量为200～300 mm,立柱横向偏斜角度在 3～5 。这样会直接影响支架的横向稳定性,使四连 杆机构承受较大的偏载。 2. 1. 2 工作面倾角和采高的影响 在有倾角的工作面,支架在非支撑状态下,在自 身重力和掩护梁背矸重力沿工作面倾斜方向分力的 作用下,支架有下滑的趋势。受力分析如图1所示。 图1 支架受力原理 支架处于临界下滑状态的平衡方程为 G Pw sin α-f1 G Pw cos α01 式中, G为支架自重; Pw为支架掩护梁背矸重力;α 为底板倾角; f1为支架底座与底板间的摩擦因数。 由式1可以看出,支架的临界下滑与重力大小 无关,仅取决于工作面倾角和支架底座与底板间的摩 擦因数。在实际工作中,支架与底板间的摩擦因数受 多种因素底板岩性、 浮煤和水等的影响,金属与煤 层间的摩擦因数一般取012～013。因此,自重条件下 支架不下滑的工作面倾角应小于16 。 当支架在正常支护状态时,由于支架支撑力的 作用,支架与顶、 底板间的摩擦阻力较大,一般不会 发生整体下滑。而当移架或顶板冒顶时,有可能出 现下滑现象。由于顶梁间排列紧密,而且有侧护板 的约束,不会出现工作面顶梁下滑的现象;而支架的 底座间为避免相互咬架,一般留有较大的间隙,支架 底座有较大的横向移动空间,这就导致了支架主要 是底座沿工作面下滑,底座下滑引发了支架沿工作 面向下倾倒。 2. 1. 3 初撑力的影响 在大采高工作面,支架要撑得紧,稳定性才能保 证,支架的初撑力是支架移架后对顶板最初的主动 作用力。所以,它对提高移架后支架的稳定性具有 重要作用。支架的初撑力大,则主动作用于顶板上 的力就大,顶板对支架的摩擦力就大,支架的稳定性 相应得到提高。 2. 2 纵向稳定性 支架的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 方向保持其几何状态稳定的特性。 2. 2. 1 水平摩擦力影响 液压支架以四连杆机构作为其稳定机构,具有 承受水平力的能力。但是当支架承受纵向水平摩擦 力时,必然引起底板比压和支架外载合力的变化。 由摩擦力引起的支架合力作用点变化为 efh2 式中, e为底座支撑合力与顶梁合力的距离; f为顶 梁与顶板间的摩擦因数; h为支架工作高度。 由此可见,大采高支架合力作用点的位置变化 大,如果水平摩擦力方向指向工作面方向,则底座合 力向前移动,使底座前端比压增大,甚至合力超过底 座,造成支架纵向失稳栽头、 倾倒。 2. 2. 2 仰采和俯采对支架纵向稳定性的影响 仰采、 俯采工况对支架纵向稳定性影响较大,容 易造成支架的纵向倾倒。仰采时,在承载阶段,水平 摩擦力、 顶板压力沿顶梁的分力均指向采空区,使支 架合力作用方向向采空区偏移,支架合力在底座的 作用点也向后偏移。如果仰角加大到一定程度,支 架可能产生后倾倾向。俯采时,在初撑阶段,摩擦力 方向指向煤壁,使支架合力向煤壁方向偏移,支架合 力在底座的作用点也向前偏移。如果俯角加大到一 定程度,支架在初撑阶段有前倾倾向。 3 提高稳定性的措施 ZY10000 /28 /62大采高液压支架是郑州煤矿机 械集团股份有限公司根据神华宁煤集团羊场湾煤矿 的地质条件设计的,针对此煤矿的煤层倾角和走向 方向上的起伏坡度,该液压支架在下转第33页 51 2009年第10期 孙 攀等6 m以上大采高液压支架稳定性分析与控制措施 总第166期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表1 21201综放面支架实测载荷 测区工作状态 平均 值/kN 与额定阻 力比/ 最大 值/kN 与额定阻 力比/ 上 初撑力3 217633 83776 工作阻力4 556764 79680 中 初撑力3 350673 95479 工作阻力4 498755 59293 下 初撑力3 321664 96479 工作阻力4 926825 35289 平均 初撑力3 296654 25284 工作阻力4 660775 34687 2直接顶初次垮落步距为17 m,基本顶初次 垮落步距为40 m,周期来压步距为37 m。 3支架初撑力、 工作阻力呈近似正态分布状 态,说明支架工作特性比较稳定,但初撑力和工作阻 力绝对值较低,应加强液压支架泵站管理。 通过对深部特厚煤层综放开采工作面支架载荷 分布、 实测值及支架前后柱阻力对比的实测分析, ZF6400218 /28型支架初撑力、 工作阻力分布均匀, 前柱阻力普遍大于后柱,平均末阻力为支架额定阻 力的90左右,说明该支架对千秋煤矿深部特厚煤 层综放面有较好的适应性。 5 结语 1开采深度、 煤层强度和厚度是支承压力分 布特征的主要影响因素。开采深度增加,支承压力 峰值点的绝对值变大,峰值点远离煤壁,但峰值点的 应力集中系数减小;顶煤越厚,峰值点增大,应力越 集中;煤层越硬,支承压力的影响范围越小,峰值点 越靠近煤壁;反之亦成立。 2从支架支护阻力、 支护角度与端面距的变 化对综放面顶板煤控制的效果分析来看,小端面 距、 大支护角度和支护阻力对维护综放面端面顶板 煤的稳定性有利。因此,在条件允许时,宜提高 支架的支护阻力,减小端面距,使工作面支架处于良 好的状态,以提高端面顶板煤稳定性。 3 21201深部特厚煤层综放面直接顶初次垮 落步距为17 m,基本顶初次垮落步距为40 m,周期 来压步距为37 m。 4支架载荷测试结果表明 ZF6400218 /28型 液压支架能较好地适应千秋煤矿深部特厚煤层条 件,进一步说明21201工作面支架选型合理,能够与 工作面其他设备较好匹配。责任编辑刘光雨 上接第15页 以下几方面进行了改进。 3. 1 改善四连杆机构销轴孔的间隙 支架四连杆机构销轴与销孔配合间隙是影响液 压支架稳定性的重要原因。因此,要求四连杆机构 销轴与销孔配合间隙小于117 mm。在空载条件下, 支架处于最大高度时,顶梁水平状态相对底座中心 线的最大偏移梁应小于80 mm。ZY10000 /28 /62的 底座、 连杆、 掩护梁连接的销轴与孔的实际间隙不大 于0185 mm,顶梁、 掩护梁销轴与孔实际间隙不大于 112 mm,四连杆与底座和掩护梁、 顶梁与掩护梁连 接耳的横向间隙小于10 mm,以提高支架的稳定性。 3. 2 提高初撑力 支架初撑力对顶板的稳定性影响很大,如果初 撑力不足,工作面直接顶易发生离层,进而造成顶板 的早期破坏,导致支架失稳。ZY10000/28 /62大采 高液压支架具有很高的初撑力,达到7 915 kN,是工 作阻力的79。 3. 3 采用主动防倒、 防滑形式 ZY10000 /28 /62大采高液压支架采用主动防 倒、 防滑形式,提高了支架的稳定性。主动式防倒、 防滑,就是预防支架倾倒、 滑动,包括2个方面① 支 架在静态时的主动防倒、 防滑。在倾斜工作面,支架 一架一架地靠在一起,由于载荷和重心的作用,支架 会发生倾倒,而使用支架的侧推千斤顶及侧护板可 起到防倒、 防滑作用。② 支架在动态移架过程中的 主动防倒、 防滑。动态移架过程中的主动防倒防滑 是在工作面向前推进的移架过程中的主动防倒、 防 滑功能,保证支架在移架过程中不倾倒下滑或挤死。 4 结语 ZY10000 /28 /62大采高液压支架自下井使用以 后,工作情况稳定,减少了在井下使用中出现的问 题,对提高产量、 保障安全等起到了至关重要的作 用。ZY10000 /28 /62大采高支架的稳定性的分析, 为今后更大采高支架的研制工作提供了借鉴。 参考文献 [1 ] 王国法.液压支架技术[M ].北京煤炭工业出版社, 1999. [2 ] 闫海琴,龚宇.浅析大采高支架的稳定性[ J ].煤矿机械, 2005 12 56258. [3 ] 丁绍南.采煤工作面液压支架设计[M ].北京世界图书出版 公司, 1992. 责任编辑郭海霞 33 2009年第10期 李文社等千秋煤矿深部特厚煤层综放工作面矿压显现规律浅析 总第166期