大采高支架在磁窑沟煤矿应用中的优化设计.pdf

引言 随着我国煤炭开采技术的发展，大采高综采技 术已经成为我国厚煤层开采的发展方向之一，并普 遍被应用于大型的现代化矿井[1]。液压支架作为综 放采煤支护的核心设备， 其合理的设计尤为重要[2-3]。 随着开采深度的增加，工作环境变得极其恶劣， 由 于工作面上覆岩层的围岩压力不同， 导致部分液压 支架出现不同程度的失稳甚至损坏的现象， 严重影 响了煤矿企业的安全生产。因此， 本文以磁窑沟煤 矿为工程背景， 通过对该矿 11102 工作面大采高支 架在应用中存在的缺点进行优化改进， 为矿井的安 全生产提供有效的技术支持。 1工程背景 磁窑沟煤矿 11102 工作面地处黄土高原干湿过 渡带， 地表为山西西北部黄土高原中低山区地形， 地表冲刷沟较多。 该工作面长 179m， 推进长 1 044 m， 煤层平均倾角为 6， 层内 0.4 m 夹矸上部平均煤厚 约为 1.7 m、 下部平均煤厚约为 2.4 m， 总体平均厚度 为 4.5 m。 煤层结构简单， 但煤层厚度变化比较大。 工 作面具体的顶底板情况如表 1 所示。 由表 1 可以看出，该工作面直接顶上部为 10-2 煤采空区， 受采空区垮落影响， 岩性较破碎； 直接顶 为泥岩， 平均厚度为 5.8 m， 节理裂隙发育， 层状结构 易冒落； 老底为砂质泥岩， 平均厚度 28 m， 局部含砂 量较高， 成分以石英为主， 再加上褶曲等构造影响， 使得煤层在开采过程中易发生应力集中导致支架失 稳甚至损坏。 基于此， 本文对该矿的液压支架进行合 适的选型和优化设计。 2液压支架的强度校核 由于磁窑沟煤矿 11102 工作面煤层结构复杂， 上覆岩层为 10-2号煤层 10202 工作面采空区，容易 出现应力集中， 导致支护困难。 所以企业以安全为前 提， 满足使用为基础， 减少投入， 考虑利用企业原有 支架， 验证其支护可行性。 选择架型的主要依据 在一定的地质条件下， 根 据周期来压的不同， 将老顶分为 I， Ⅱ、 Ⅲ、 IV4 个等 级； 再根据直接顶的稳定性， 将直接顶的级别分为 4 类， 从而组合成不同情况如下页表 2 所示。 根据磁窑沟煤矿 11102 工作面的顶底板地质情 况所知， 本工作面的基本顶为Ⅱ级， 直接顶为 2 类， 故适宜采用掩护式液压支架。 支架架型确定之后，支护强度的大小也是影响 支护效果的重要因素之一。支护强度过大给支架的 搬运和安装带来困难；支护强度过小又会造成顶板 过早离层、冒落。但目前还不能准确的计算支护强 度，而只能采取经验公式近似的确定支架的支护强 大采高支架在磁窑沟煤矿应用中的优化设计 雷志勇 （山西河曲晋神磁窑沟煤业有限公司， 山西河曲036500） 摘要 为了解决大采高支架在不同工况条件下因应力集中而导致支架不稳定甚至损坏的问题， 以磁窑沟煤矿 为工程背景，通过分析该矿 11102 工作面的地质条件和煤岩体特性，并校验支架的支护强度和工作阻力等参 数， 对 ZY8000/24/50D 型大采高液压支架进行优化设计。结果表明 通过对支架顶梁柱和底座柱等关键零件加 厚、 加固改进， 不仅能提高支架的工作阻力， 而且可以有效地解决工作面顶板控制的问题， 对相同工程地质条件 的煤层开采支护提供参考和借鉴价值。 关键词 大采高支架强度校核护帮结构优化设计 中图分类号 TD355文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 05-0047-03 收稿日期 2020-03-09 作者简介 雷志勇 （1984） ， 男， 毕业于山西大同大学机械设 计制造及其自动化专业， 机电助理工程师， 从事机电技术方面 的相关工作。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.05.021 总第 205 期 2020 年第5 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 205 No.5， 2020 顶底板 名称 岩石名称厚度 /m岩性特征描述 基本顶 中砂岩 （原 10-2 煤采空区） 3.85.2 灰色中粒长石砂岩， 中粒、 厚层状 构造， 由石英、 长石及矿物碎屑构 成， 含少量黑色矿物。考虑到受采 空区垮落影响， 岩性较破碎。 直接顶泥岩4.86.5 深灰色泥岩， 易风化破碎， 砂泥质 胶结， 节理裂隙发育， 层状结构， 易 冒落。 直接底泥岩0.41.1 深灰色泥岩， 易风化破碎， 泥质胶 结， 致密块状夹薄煤。 老底砂质泥岩16.530.2 粗粒、 中粒、 细粒、 粉砂岩， 灰白色、 灰色， 成分以石英为主， 泥质胶结， 致密半坚硬， 局部岩石软易碎。 表 1工作面顶底板地质情况分布表 设计理论与方法 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 度。计算公式如下 q≥ H酌q1 （K-1） cos琢 茁 .（1） 式中 q 为支架的支护强度； H 为采高， 平均 4.5 m； 酌 为上覆岩层的密度，一般取 2.1 t/m3； K 为岩石膨胀 系数， 取 1.35； 琢 为工作面倾角， 取 5； 茁 为附加阻 力系数， 二排柱支架取 1.6， 单排柱支架取 1.2； q1为 顶板周期来压动载系数， 取 1.1。 则q≥ 4.52.11.1 （1.35-1） cos5 1.235.5 MPa. 即 液压支架的支护强度应大于 35.5 MPa。 合适的结构高度是支架是正常工作的关键， 支 架的最大及最小高度可按照下式确定 Hmax≥Mmax0.2 Hmin≤Mmin- （0.20.3） 嗓 .（2） 式中 Hmax、 Hmin为支架最大、最小高度， m； Mmax、 Mmin 为工作面最大、 最小采高， 分别取 4.5 m、 3.3 m。 通过计算可知， 支架的最大支撑高度要大于4.7m， 最小高度要小于 3 m。 支架的工作阻力采用以下公式进行计算 P （68） M籽LB . （3） 式中 籽 为砂岩容重为 2 000～2 800 kg/m3，取最大 值； M 为采高，本工作面取 4.5 m； L 为支架支撑长 度， 取 1.75 m； B 为支架支撑宽度， 取 9.8 m。 P84.52 8004.2401.759.8/1 0007 330 kN， 即 支架的工作阻力要大于 7 330 kN 才满足要求。 根据 11102 综采工作面的实际地质情况， 通过核 算支护强度和工作阻力等参数， 选用 ZY8000/24/50D 型掩护式液压支架作为该工作面巷道支护的主要设 备， 共计 107 台支架， 具体的参数如表 3 所示。 3液压支架结构的优化设计 根据磁窑沟煤矿的实际地质情况，通过计算液 压支架的相关参数，最终选用了 ZY8000/24/50D 型 掩护式液压支架作为 11102 工作面的主要支护设 备。 但该工作面顶板和煤层坚硬， 不同高度的围岩压 力不同，使得液压支架在使用过程中由于应力集中 而出现不同程度的损坏，影响生产的工作效率。因 此，为了使液压支架能更好地适应该工作面的顶板 压力， 对支架的部分结构进行改进， 从而改善支架的 稳定性， 确保企业安全生产的顺利进行。 通过分析 11102 工作面的顶底板情况可知， 上 覆岩层为采空区， 使得顶板的压力远大于支架护帮 板对煤壁的压力， 而液压支架在工作时， 因千斤顶 伸出过长而降低了液压支架的承载能力。因此， 将 支架的掩护梁和伸缩梁进行分离， 可以有效地抑制 煤壁破坏体发生滑落失稳。建立的煤壁破坏体滑落 失稳力学模型如图 1 所示。 图中， a 为煤壁破裂面与煤壁的夹角， M 为采高, F1为覆岩压力， b 为煤壁破坏深度， Fmd为煤岩之间 的摩擦力。对煤壁破坏体建立平衡方程 Fmd -F 4 F 3hcos琢-Fmmsin琢0 Fz -F d-mgF3hsin琢Fmmcos琢0 Fmd （Fd -F z ） f 1 扇 墒 设 设 设 设 设 缮 设 设 设 设 设 .（4） 式中 F3h为深部煤体对煤壁破坏体垂直于破坏面的 作用力； Fmm为煤壁破坏体与煤体的摩擦力； f1为顶 板岩层与煤体的摩擦因数。 对上式求解可得液压支架护帮板抑制煤壁破坏 体发生滑落失稳的最小护帮力 F4min F3h （Fd -F z ） （f 1cos琢-sin琢） -mgsin琢 cos琢 .（5） 通过上述计算分析，可以得出煤壁破坏位置一 般为距煤层顶板 0.35 倍的采高处， 由于护帮板直接 老顶级别直接顶级别架 型采 高 I 1掩护式 采高＜2.5 m 时， 支撑式 采高＞2.5 m 时， 掩护式 2掩护式 3支撑式 Ⅱ 1掩护式 2 支撑式 掩护式 3支撑式 Ⅲ 1掩护式 2支撑式 3 支撑式 掩护式 4 支撑式 掩护式 表 2支架选型参考表 支架中心 距 /mm 支架宽度 /m 立柱伸缩 量 /mm 支架高度 /mm 移架步距 /mm 工作阻力 /kN 1 7501.66～1.862 5202 400～5 0008008 000 表 3ZY8000/24/50D 型液压支架参数表 图 1煤壁滑落失稳力学模型图 y b Fd Fmd 顶板 F4 F3h Fmm Fz mg 琢 煤体 x 48 2020 年第 5 期 铰接在液压支架的顶梁上，护帮板与伸缩梁分体结 构对煤壁的支护作用合力更大，所以应对支架的伸 缩梁与护帮板进行分离， 确保支架的支护效果。 大采高支架在工作过程中受到顶板的应力集中 时， 顶梁承载能力差， 前后连杆容易失稳； 底座受到 扭转载荷， 使得柱窝处应力表现异常。因此， 对液压 支架的顶梁前端采用 6 条纵筋的 5 腔结构，增加顶 梁的抗变形能力， 如图 2 中 2-1 所示； 对底座加强筋 处由 26 mm 加厚到 40 mm，如图 2 中 2-2 所示， 使 得优化后的支架能更好地适应顶板的压力，提高工 作环境的安全系数。 4应用效果 按照上述优化设计，对改进后的大采高液压支 架进行现场应用，并测量支架所受到的载荷频度和 载荷大小， 记录的数据如图 3 所示。 由图 3 可知，支架所受载荷在 20～30 MPa 之 间， 占了总数的 65.5， 远小于支架支护强度， 说明 改进后的液压支架能够合理地平衡围岩的压力， 改 善了支架的稳定性， 提高了工作环境的安全系数， 为 煤矿的安全生产提供技术保障。 5结论 1） 根据磁窑沟煤矿 11102 工作面的实际地质条 件，并计算液压支架的有关参数，最后确定 ZY8000/24/50D 型大采高支架作为该工作面的主要 支护设备满足支护要求。 2） 针对 ZY8000/24/50D 型支架在现场应用过程 中受到应力集中的问题， 对支架进行优化改进。 将掩 护梁和伸缩梁进行分离， 增加了支护的合力， 确保了 支护效果； 对支架的关键结构进行加厚、 加固处理， 可以更好地承载顶板载荷， 提高了支架稳定性。 3） 通过对大采高液压支架在磁窑沟煤矿的应用 研究， 说明液压支架经过切合实际的优化改进， 不仅 能提高工作效率， 减少企业的生产成本， 还可以提高 工人工作环境的安全系数。 参考文献 [1]庞义辉， 王国法.大采高液压支架结构优化设计及适应性分析 [J].煤炭学报， 2017 （10） 32-41. [2]张浩.大采高工作面液压支架结构受力分析[D].淮南 安徽理工 大学， 2014. [3]宋德军. “两硬” 条件大采高液压支架工作阻力计算[J].太原理 工大学学报， 2006， 37 （5） 568-571. [4]韩文君， 柳学猛， 成惠萍.大采高液压支架使用存在问题及改进 对策[J].神华科技， 2013 （3） 22-24. [5]时建成.近距离煤层开采实践研究[J].江西煤炭科技， 2017 （4） 159-162.（编辑 赵婧） 2-1顶梁柱窝结构2-2底座柱窝结构 图 2关键抗冲击结构结构图 图 3液压支架荷载频度统计图 Optimal Design of Large Mining Support in the Application of Ciyaogou Coal Mine Lei Zhiyong （Shanxi Hequ Jinshen Ciyaogou Coal Industry Co., Ltd., Hequ Shanxi 036500） Abstract In order to solve the problem that the support is unstable or even damaged due to stress concentration under different working conditions, the ZY8000/24/50D type hydraulic support for large mining height is optimized by analyzing the geological conditions and the characteristics of coal and rock body in the 11102 working face of the mine and checking the supporting strength and working resistance of the support. The results show that by thickening and strengthening the key parts such as the support top beam column and the base column, the working resistance of the support can not only be improved, but also the problem of roof control of the working face can be effectively solved, and the same engineering geological conditions can be improved coal seam mining support to provide reference and reference value. Key wordshigh mining support; strength check; support structure; optimization design 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 45403530252015105050 液压支架载荷 /MPa 5.97 3.92 9.36 4.81 24.4 41.1 4.45 3.013.03 0.01 雷志勇 大采高支架在磁窑沟煤矿应用中的优化设计 49