大倾角三软煤层放顶煤支架选型及三机配套.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第37卷第11期 煤 炭 科 学 技 术 Vol137 No111 2009年11月Coal Science and TechnologyNov . 2009 大倾角三软煤层放顶煤支架选型及三机配套 常富贵 1 ,章 峰 1 ,黄 轶 2 1. 神华宁煤集团 金能煤业分公司,宁夏 惠农 753200; 2.四川大学,四川 成都 610000 摘 要在深入分析大倾角煤层放顶煤开采液压支架选型及三机配套的关键技术问题,特别是三软 煤层开采技术的基础上,结合实际生产和使用情况,对4种液压支架的使用进行比较,并对采煤机 和刮板输送机防滑等难点进行分析,为支架选型及三机配套提供了可借鉴的经验。 关键词大倾角煤层;三软;放顶煤;液压支架;三机配套 中图分类号TD42118 文献标志码 A 文章编号 0253 - 2336 2009 11 - 0059 - 04 Selection of Hydraulic Powered Top Coal Caving Support and Three EquipmentMatching Applied to Deep Inclined Seam with Soft Roof, Soft Coal and Soft Floor CHANG Fu2gui 1 , ZHANG Feng 1 , HUANG Yi 2 1.Jinneng CoalM ining B ranch, N ingxia CoalM ining Group, Shenhua Group, Huinong 753200, China; 2.Sichuan University, Chengdu 610000,China Abstract Base on the deep analysis on the selection of the hydraulic powered top coal caving support and key technical problems of the three equipmentmatching applied to the deep inclined seam, especially base on themining technology for the seam with soft roof, soft coal and soft floor, in combined with the actual production and application conditions .The applications of the 4 different hydraulic powered supportswere compared and the difficulties of the sliding prevention for the coal shearer and face scraper conveyorwere analyzed, and it could provide the reference experiences for the support selection and the three equipmentsmatching . Key words deep inclined seam; soft roof, soft coal and soft floor; top coal caving; hydraulic powered support; three equipmentmatching 随着煤矿机械化开采的不断发展,中厚及厚煤 层一次采全高的大采高综采液压支架技术已成功应 用。从目前的使用情况来看,大采高煤层开采技术 对煤层地质条件要求相对较高,即近水平煤层,煤 层赋存条件稳定,顶底板良好等。对倾角较大的三 软中厚及厚煤层开采来说目前还不能使用一次采全 高开采,较为成功的开采方法就是综采放顶煤开 采。针对神华宁煤集团石嘴山矿区大倾角三软煤层 综采放顶煤开采的实际情况,对液压支架选型及三 机配套方案进行分析,以供参考。 1 煤层的赋存地质条件 神华宁夏煤业集团石嘴山矿区开采的3号煤厚 度5109～8164 m,平均厚6100 m,倾角17～30 。 地质构造复杂,煤层普氏系数015～112,伪顶为 炭质页岩、铝土岩和劣质煤,厚213 m左右,构成 复合顶板;直接顶为页岩,基本顶为细-粗砂岩, 伪底为黏土岩,平均厚0125 m,普氏系数110,遇 水软化;直接底为页岩普氏系数215,属三软煤 层,质地松软,易于抽冒片帮。工作面走向长 1 300～1 500 m,工作面倾斜长为150～220 m, 3 层煤距地表垂深400 m,顶板最大来压强度300 kN /m 2。基本顶初次来压步距 8～12 m,基本顶周 期来压步距25～30 m。自1996年以来,原石嘴山 二矿一直采用走向长壁综采放顶煤开采方法,从最 初的月产5万t增加到目前最高月产13万t。 2 大倾角三软煤层放顶煤支架选型 影响液压支架选型的因素主要是矿山地质条 件,如顶底板稳定性、煤层可采厚度、煤层倾角、 煤层赋存状况及瓦斯含量等,其中以煤层顶底板稳 定性影响最大。顶板稳定性直接影响所选支架的架 型支护强度,顶板岩性的不同,决定支架的架型型 式,岩层载荷和顶板的稳定性主要影响支架支护强 95 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2009年第11期 煤 炭 科 学 技 术 第37卷 度和顶梁的结构型式。一般顶板稳固平整煤层应选 用支撑式支架;煤质松软、顶板破碎煤层,应选用 掩护式支架;而煤层顶板坚硬,则应选用支撑掩护 式支架。底板岩石的组成、结构及岩石力学性质是 支架选型不可忽视的另一重要条件,底板的稳定 性,对支架底座影响较大,支架架型选取不当,会 使支架陷入底板,移架困难 [1 ]。 1 在石嘴山矿区3号煤开采过程中使用过4 种不同的架型。 第1套为ZFS3200/14 /27型正四连杆支撑掩护 式放顶煤液压支架,其优点是整体顶梁带内伸缩 梁,侧护板伸至顶梁前端有效防止架间漏矸,架间 有足够的行人空间,倒装整体长推杆能控制刮板输 送机下滑;缺点是没有护帮板,从而不能有效防止 煤壁片帮,底座前端对地比压较大,钻底严重。 第2套为ZF4800 /17 /28H型反四连杆支撑掩 护式放顶煤液压支架,其优点是整体顶梁带内伸缩 梁,侧护板伸至顶梁前端有效防止架间漏矸,底座 前端对地比压较小小于018 MPa ,杜绝钻底现 象;缺点是没有护帮板,从而不能有效防止煤壁片 帮,架间没有行人空间,采用正推短推杆推出后摆 动较大,不能有效防止刮板输送机下滑。 第3套为ZF5800 /18 /32型反四连杆支撑掩护 式放顶煤液压支架,其优点是铰接前梁带外伸缩梁 和护帮板,能很好适应顶板的变化和维护煤壁片 帮,底座前端对地比压较小,杜绝钻底现象;缺点 是铰接前梁没有侧护板,导致前梁架间漏顶严重, 架间没有行人空间,采用正推短推杆推出后摆动较 大,不能有效防止刮板输送机下滑。 第4套为ZF5800 /17 /35型正四连杆支撑掩护 式放顶煤液压支架,其优点是铰接前梁带内置伸缩 梁和护帮板,前梁带侧护板,能很好适应顶板的变 化、防止前梁架间漏矸和维护煤壁片帮,底座前端 对地比压较小,杜绝钻底现象,倒装整体长推杆能 控制刮板输送机下滑;其缺点是质量较大,运输需 要解体。 2 通过以上4种架型放顶煤液压支架的使 用,发现大倾角综采放顶煤开采支架必须在其稳定 性、防倒防滑以及对顶底板的适应性方面重点考 虑,并对其进行总结如下① 基本架型 正四连 杆机构支撑掩护式,既保证了支架整体有较高的稳 定性、抗扭性及抗侧向力,同时又保证了架间前后 有足够的人和运料通道及后部刮板输送机的管理和 维修空间;② 顶梁结构 整体顶梁带内伸缩梁和 护帮板结构,侧护板护至顶梁前端,保证了顶梁前 端有足够的支撑力及很好的封闭性能,伸缩梁可进 行超前及时支护,护帮板可旋转180 有效控制煤 壁片帮;③ 放煤机构 可摆动尾梁带插板结构, 既实现了连续敞开的放煤窗口,又可随时封闭采空 区的矸石,尾梁和插板还可以松动顶煤和切碎大块 煤及矸石;④侧护千斤顶 采用 100 mm大缸 径千斤顶,下腔装有单向锁使支架有较大的侧推力 并具有防倒扶正功能;⑤ 供液系统 采用大流量 环型供液系统,实现快速带压移架,保证顶板不受 重复支撑破坏影响;⑥前推移装置 采用 180 mm大缸径千斤顶倒装整体长推移杆结构,有足够 大的移架力和推刮板输送机的力,并可防止刮板输 送机上窜下滑;⑦ 底座配备调架机构和防滑装置, 以调整相邻两架之间的间隙,防止支架倒架和挤 死,防止刮板输送机下滑;⑧ 在巷道运输条件和绞 车提升能力满足支架设计吨位的前提下,大倾角煤 层开采支架应尽量考虑放宽中心距设计,达到 1175 m甚至2100 m,使支架重心在底板的投影必 须在底座受力接触面以内,这样可使支架的受力达 到稳定;⑨ 重点部位的材料选择Q690板材、侧 护板、侧护导杆、底座底板等 ; ⑩ 大倾角工作面 支架随着结构件的不断磨损、锈蚀、变形等,连杆 的各铰接轴在使用过程中会发生外窜,影响安全生 产,因此支架在设计时要充分考虑铰接销轴的防 窜,增大挡销的强度。 3 大倾角三软煤层放顶煤开采三机配套 采煤机和刮板输送机的选型和配套关键是工作 面采高和移架步距。采高和移架步距的大小决定工 作面配套设备的生产能力,采高较高、移架步距较 大采煤机的机身高、生产能力大。一般来讲,大倾 角三软煤层放顶煤开采采高为215～310 m适宜, 采高过低各种操作、采煤机行走均不方便,采高过 高则支架有可能因接顶不实而引发倒架 [2 ]。 311 大倾角采煤机选型及配套 31111 大倾角采煤机选型 目前交流变频电牵引采煤机技术成熟,可靠性 高,功率小、故障率高,液压牵引采煤机逐渐被高 产高效的煤矿生产所淘汰。因此,一般都选用国内 06 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 常富贵等大倾角三软煤层放顶煤支架选型及三机配套2009年第11期 或国外技术先进成熟的交流变频电牵引采煤机 配套。 1 牵引力的计算。只考虑电动机的输出扭矩 而不考虑采煤机在最大牵引力时的实际运行状态的 受力,通常会将采煤机的牵引电机功率选小。影响 采煤机牵引力的因素很多,但总体来说牵引力是由 外载荷来决定的 [3 ]。因此必须对其进行受力分析 , 其受力分析如图1所示。牵引力主要与以下因素有 关① 采煤机自重G;② 滚筒所受的轴向力FX1和 FX2;③ 滚筒所受的推进力YN1和YN2与牵引力相 反 ; ④ 滚筒所受的切向力FN1和FN2与滚筒的转 向相反 ; ⑤ 工作面倾角a。 图1 采煤机牵引力受力分析 通过上述分析,并根据力的平衡原理可知,采 煤机牵引移动时必须克服的牵引阻力之和牵引 力为 TP YN1 YN2 fGcosa - FN1 FN2 FX1 FX2Gsina K1G fGcosa - K22K3Gsina 式中 f 摩擦因数,平均可取0118; TP 采煤机的牵引力,kN; K1 经验系数,K1 Y N1 YN2/G,可 取K1016～018; K2 估算系数,K2 F N1 -FN2/G,可 取K20～012; K3 侧面导向反力对牵引阻力的影响系数, K3FX1/GFX2/G。a0时,取K3 0112～0119;a 35 时,取K3 0115～0121。 为确保安全,取采煤机的最大牵引力TPmax KTPK为安全系数,取1120～11 25 。不难看出 设计采煤机牵引部时应将最大牵引力作为最大载荷 计算其各传动系统液压和机械传动系统的强 度,这样才能确保所设计的牵引部运行安全。 2 液压制动器与调速变频器的相互延时控 制。大倾角煤层开采中采煤机防滑也是安全管理的 重点。可通过液压制动器与牵引变频器的相互延时 动作有效地解决采煤机下滑,即当采煤机主控器发 出牵引方向指令,制动电磁阀打开的同时或延 时小于 1 s 变频器才会有牵引确认,否则采煤机 会出现因自重力下滑现象;当液压制动器因缺油或 油压不足而关闭,此时变频器必须同时停止功率输 出,否则会损坏制动摩擦片,长时间则会烧毁牵引 电机或造成其他机械故障。 31112 大倾角采煤机配套措施 1 注意机头机尾割三角煤的校验和挖底量的 大小,一般采煤机机头和机尾的挖底量不应低于 200 mm。 2 采煤机的挑顶量是否满足需要,综放工作 面的顶板是复合顶板,只能采用超前支护形式维护 顶板,若挑顶量达不到要求会出现采煤机截割支架 前梁的现象。 3 采煤机行走轮与刮板输送机销排的啮合曲 线必须属于同一类型,否则易出现行走部机械故 障,目前大功率采煤机均配置强力锻造齿轨,保证 其强度。 4 根据采高选择合适的滚筒直径和滚筒转 速,采煤机滚筒直径大小和滚筒转速高低都会直接 影响到采煤机的装煤效果。 5 在基本参数要素符合技术要求的条件下, 尽可能增加采煤机的自身重力,如对无用空间充灌 铅等技术,保证设备运行稳定。 312 大倾角工作面刮板输送机配套 31211 刮板输送机的防滑设计 1 封底板上焊接横向底板防滑筋,增加刮板 机底板与工作面底板间的摩擦因数。 2 刮板输送机尾部设计端头锚固站,特别对 后部刮板输送机尤其重要和有效。 3 推移耳座的强度必须进行加强,否则在使 用过程中推移耳座会频繁出现断裂;或采用强弱分 配的原则,即推移耳座和刮板输送机槽帮整体铸造 在一体,断裂后不易处理或焊接不实 , 设计时 要增大其强度;而与推移耳座相连接的支架推移杆 十字接头易更换且制造成本低,其强度要小于推移 耳座。 31212 刮板输送机配套措施 1 大倾角工作面刮板输送机机头卸载方式采 16 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2009年第11期 煤 炭 科 学 技 术 第37卷 用端卸式,刮板输送机与转载机的相对位置很难固 定,卸煤点不确定,端卸式易控制。 2 机头卸载高度应适当控制,偏小为宜。大 倾角工作面巷道掘进时一般都是按照下帮见底、上 帮破底进行设计的,不存在刮板输送机卸煤或拉回 头煤,而卸载高度加大后,采煤机在机头处的挖底 量会变小,刮板输送机的过煤空间也会相应变小, 过渡槽的机械长度加长等问题较多,没有很好的解 决办法。 3 刮板输送机的水平弯曲度和垂直弯曲度必 须符合行业标准,增强其在较差地质条件下的过断 层能力。 4 机头机尾部推移梁与过渡支架连接的空间 及连接方式要充分考虑易分解、高可靠性,端头支 架承载压力大,移设支架的程序复杂困难,推移梁 出现的问题相对较多,特别是强度和结构。 4 结 语 大倾角三软煤层综放工作面的液压支架设计和 三机配套难度相对较大,需要考虑的细节较复杂, 液压支架的放倒防滑、刮板机的防滑等是难点。通 过石嘴山矿区大倾角三软煤层综放工作面开采的实 践,对其液压支架选型及三机配套进行分析总结, 以供借鉴。 参考文献 [1] 王国法 1液压支架技术[M ].北京煤炭工业出版社, 1999. [2] 郝成军,陈 平,李万山 1浅谈综采设备的选型与配套原 则[J ].煤炭工程, 2005 10. [3] 李永俊,刘燕平,范惠平 1采煤机牵引力的确定[J ].煤炭 技术, 2005 7. [4] 孔德冒,郑丰隆,张优明 1放顶煤液压支架总体设计[J ]. 煤矿机械, 2008 9. [5] 张希九,黄炳辉.“ 三软 ”大倾角煤层综采面生产实践 [J ].煤炭科学技术, 1998 3. 作者简介常富贵1974 - ,男,宁夏彭阳人,现任神华宁 煤集团金能煤业分公司副总工程师,长期从事机械化开采技术工 作。Tel 0951 - 6962654, E - mailcfg75271631com 收稿日期 2009 - 06 - 18;责任编辑张 扬 上接第50页 开采结合瓦斯抽放措施的实施,使被保护层瓦斯压 力下降415～510倍,其突出危险性基本消除。 313 瓦斯含量变化 按照我国突出煤层开采经验,在采取消突措施 后,当工作面残余瓦斯含量小于8 m 3 /t时,不会 发生煤与瓦斯突出,工作面预测为无突出危险工作 面;当工作面煤层残余瓦斯含量不小于8 m 3 /t时, 工作面预测为突出危险工作面。五矿近距离保护层 开采期间,经过保护层己15- 23190开采结合瓦斯 抽排,被保护层己16、17- 23190工作面残存瓦斯含 量已降低至3177 m 3 /t,突出危险性已经消除。 4 结 论 1 在近距离保护层回采过程中,虽然保护效 果好,但是瓦斯治理比较困难,容易发生瓦斯事 故,因此必须建立瓦斯抽放系统。 2 平煤天安五矿近距离保护层己15- 23190回 采过程中采用的高位、穿层钻孔联合抽放和采空区 埋管瓦斯抽放方法,很好地解决了近距离保护层开 采期间的瓦斯超限事故,值得同类矿井借鉴。 参考文献 [1] 王省身.矿井灾害防治理论与技术[M ].徐州中国矿业 大学出版社, 1991. [2] 李学诚.搞好煤矿瓦斯抽放和利用可一举三得[ J ].煤矿 安全, 2003 1. [3] 俞启香.矿井瓦斯防治[M ].徐州中国矿业大学出版 社, 1992. [4] 郑 爽,王佑安,王震宇,等.中国煤矿抽放瓦斯和利用 [J ].煤矿安全, 2003 9. [5] 瓦斯通风防灭火安全研究所.搞好煤矿瓦斯抽放技术发展 的50年[J ].煤矿安全, 2003 S. [6] 涂兴子,徐守仁,吕庆刚.几种煤矿井下瓦斯抽放方法 [J ].煤矿安全, 2003 12. [7] 王兆丰,张子戌,张子敏.瓦斯地质研究与应用[M ].北 京煤炭工业出版社, 2003. [8] 于不凡.开采解放层的认识与实践[M ].北京煤炭工业 出版社, 1986. 作者简介袁东升1968 - ,男,河南舞钢人,副教授,博 士,现在河南理工大学从事安全工程方向的教学、科研和管理工 作。Tel 13569158967,E - mailyyddss1261com 收稿日期 2009 - 07 - 11;责任编辑王晓珍 26