大倾角煤层综采过程中的液压支架稳定性研究.pdf

2020 年第 9 期2020 年 9 月 煤矿开采过程中，支护工作对于煤矿安全生产特 别重要。特别是液压支架在选型时需要考虑多方面因 素，主要包括开采地质条件、煤层实际情况、通风要 求等。确定液压支架强度的原则在支架结构合理的 条件下，使工作面岩层得到控制。一般为了保证安全、 高效的煤矿开采，需在保证安全稳定的前提下，保证 支架运行的高可靠性和工作面高产高效。目前，大倾 角煤层储量丰富，在中国分布广泛。但大倾角煤层开 采的发展水平远远低于缓倾角煤层，存在一系列尚未 解决的技术问题[1-4]。对于大倾角厚煤层，一般采用高 采高综采方法，提高资源采收率，实现安全高效开采。 因此，开展大倾角、高采高工作面液压支架稳定性研 究是十分迫切和必要的。国内外学者对支架沿工作面 走向稳定性的研究较多，但对支架沿工作面倾角稳定 性的研究较少[5-8]。因此，本文根据煤矿实际地质条件， 采用理论计算方法对煤矿大倾角煤层综采过程中的液 压支架稳定性进行研究。 1煤矿工作面特殊地质条件 根据钻孔实际揭露情况，山西省霍州市煤电庞庞 塔煤矿工作面煤层最小厚度 3.75 m，最大厚度 6.2 m， 平均厚度 5.2 m；最小倾角 12毅，最大倾角 31毅，平均倾 角 22毅；工作面走向长度 1 179.5 m，倾向长度 220 m， 采用 ZY6600-25.5/55 液压支架控制顶板。 2液压支架建模 高采高液压支架由于高度过高，其稳定性相对较 差。由于顶底板运动的差异和倾斜角的影响，在大倾角 工作面采用高采高液压支架时，其稳定性会进一步下 降。利用 SolidWorks 软件绘制液压支架模型，如图 1 所 示，然后根据自身重量分布情况，建立液压支架倾角力 学模型，分析其倾角稳定性。图 1 中，G 为液压支架总 体所受重力的合力，kN；G1，G2，G3分别为上表面、 斜上表面、侧面支架所受到的重力，kN。 收稿日期2020-04-12 作者简介闫谦，1990年生，男，山西万荣人，2013年毕业于太 原科技大学华科学院机械设计制造及其自动化专业，助理工程师。 大倾角煤层综采过程中的液压支架稳定性研究 闫谦 （ 霍州煤电集团鑫钜煤机装备制造有限责任公司鑫钜出行新能源汽车发展分公司，山西 霍州 031400 ） 摘要 大倾角条件下，液压支架的稳定性控制一直是大倾角煤层综采工作的难题。根据山西省霍州市煤电庞庞塔煤 矿实际煤矿大倾角高采工作面具体地质条件，利用 SolidWorks 软件建立了液压支架模型，建立了液压支架沿工作面倾斜 稳定性分析的倾角力学模型。计算结果表明在相同的开采高度条件下，临界支护阻力随倾斜角度的增大而增大。因此， 在进行液压支架设计时，必须考虑采高和煤层倾角的选择。研究工作对于当代煤矿大倾角煤层综采过程支护过程有重要 参考价值。 关键词 煤矿开采；支护；液压支架稳定性；采煤工作面；大倾角；力学分析 中图分类号 TD355文献标志码 A文章编号 2095-0802-202009-0119-02 Research on Hydraulic Support Stability in Fully Mechanized Mining Process of Deeply Inclined Coal Seams YAN Qian Xinju Travel New Energy Vehicle Development Branch Company, Xinju Coal Machinery Equipment Manufacturing Co., Ltd., Huozhou Coal Electricity Group, Huozhou 031400, Shanxi, China Abstract Under the condition of large dip angle, the stability control of hydraulic support has always been a difficult problem in fully mechanized mining of deeply inclined coal seams. According to the actual geological conditions of large dip angle high mining face in Pangpangta Coal Mine of Huozhou Coal Electricity Group, Shanxi Province, this paper established the hydraulic support model by using SolidWorks software, and established the inclination angle mechanical model of hydraulic support of the working face slope stability analysis. The results show that the critical support resistance increases with the increase of inclination angle under the same mining height. Therefore, the selection of mining height and coal seam dip angle must be considered in the design of hydraulic support. The research work has an important reference value for the support process of fully mechanized mining process in contemporary coal mine with large dip angle. Key words coal mining; support; stability of hydraulic support; coal mining face; large dip angle; mechanical analysis （总第 180 期） 技术研究 图 1液压支架自身重量分布 G1 G3 G2 G 119 2020 年第 9 期2020 年 9 月 由图 1 可知，液压支架底板表面的自重 G 的 G1和 G3两分量力对支架稳定性产生威胁，G1和 G3受力方向 为 90毅。 为了保证一定的安全系数和计算精度，将 G1和 G3 合力代入液压支架倾角力学模型的稳定性计算中 G1G3G1-cos2琢 cos2茁姨，1 G2GG cos琢 cos茁姨，2 式1～2中，琢 为工作面倾斜角，毅；茁 为下挖角，毅。 3液压支架倾角稳定性分析 建立了采煤工作面倾斜支架的倾倒力学模型，如 图 2 所示。图 2 中，R11为下表面对支架的支撑力， kN；R12为上表面对支架的支撑力，kN；f11为下表面所 受到的阻力，kN；f12为上表面所受到的阻力，kN；h 为采高，m；b 为支架宽度，m。 图 2倾斜支撑倾倒力学模型 由图 2 得到如下公式 f11f12G1 R11G2R12 f12滋R12 R12bf12h G2b 2 - G1b 2 0 扇 墒 设 设 设 设 设 设 设 缮设 设 设 设 设 设 设 ，3 式3中，滋 为支架与岩石摩擦系数。 支架在工作状态下的临界倾斜角与各参数之间的 关系如下 cos琢 hM-2R12bh-2R12滋h2 Gb2h2cos茁 ，4 式4中，M 为支架的总力矩，N m。 所以，可以得到支架的总力矩 M 为 MG2b2h2-4R122滋hb2姨。5 由式4可知，通过增加支架宽度 b、降低采高 h， 可以增大液压支架的工作面倾斜角 琢，有利于保证液压 支架的稳定性。工作面倾斜角随着支架重量和下挖角 的增加而减小，因此在保证足够的支架强度条件下， 可减小液压支架总体所受重力的合力 G 和下挖角 茁，以 防止液压支架倾倒。从式4的关系可看出，工作面倾 斜角随摩擦系数的增大而增大，即增大摩擦系数有利 于防止支座倾斜。从 琢 与 R12的关系可以看出，增加支 座阻力可增大临界倾斜角。因此，增加支架阻力有助 于防止支架向倾斜方向倾倒。 4结果和讨论 根据实际采煤工作面的具体地质条件，采高 h5.5 m， 支架宽度 b1.5 m，液压支架总体所受重力的合力 G260 kN，支架与岩石摩擦系数 滋0.3，上表面对支架 的支撑力 R126 600 kN，将这些数值代入式4中，计 算结果表明，这种情况下的支架不会倾倒。当最大倾 斜角为 31毅，下手角为 10毅时，液压支架不倾倒的最小 支撑阻力为 283.59 kN。进一步说，根据式2，不同开 采高度和倾角下，液压支架不倾倒所需的最小支承阻 力值如表 1 所示。 表 1液压支架不倾倒所需的临界支承阻力值 本文利用 SolidWorks 软件绘制了液压支架的模型， 并在此基础上根据自身的重量分布情况，建立了液压 支架的倾角力学模型，分析了液压支架随工作面倾角 的稳定性。为了保证一定的安全系数和计算精度，将 G1，G3的合力代入液压支架倾角力学模型，计算结果 显示角 琢 随支架宽度 b、支架与岩石摩擦系数 滋 和上 表面对支架的支撑力 R12的增加而增大，同时临界倾角 也随采高 h、液压支架的自重 G 和下挖角 茁 的减小而增 大。计算结果可以得出，不倾斜倾倒的液压支架所要 求的临界支承阻力随采高的增加近似呈线性增加。同 时，在相同的开采高度条件下，临界支护阻力随倾斜 角度的增大而增大。因此可以增加支架宽度 b、摩擦系 数 滋 和上表面对支架的支撑力 R12，减少采高 h、液压 支架自重 G 和下挖角 茁，以防止支架向倾斜方向倾倒。 根据本案例实际煤层的具体地质条件，计算结果表明 该支架不会倾倒。在这种情况下。当最大倾斜角度为 31毅且下手角为 10毅时，液压支架不倾倒的最小支架阻 力为 283.59 kN。同时，不沿倾斜方向倾斜的液压支架 所需的临界支撑阻力随着采煤面开采高度的增加呈线 性增长，而在相同的开采高度条件下，临界支承阻力 随倾斜角的增加而增加。因此，在液压支架选择设计 开始时必须考虑煤层的开采高度和倾斜角度。 5结语 在建立液压支架的倾角力学模型的基础上，对当 代煤矿大倾角煤层综采过程中的液压支架稳定性进行 了全面分析，得到的一系列结论对于丰富当代煤矿大 倾角煤层综采过程液压支架支护的相关工程理论具有 重要意义。 R11 f11 f12 R12 琢 巷道高度/m 液压支架不倾倒所需的临界支承阻力值/kN 倾斜角 20毅 倾斜角 25毅 倾斜角 30毅 倾斜角 40毅 倾斜角 50毅 4.030100160300430 4.580150210350480 5.0130200260400530 5.5180250310450580 6.0230300360500630 6.5280350410550680 （下转 123 页） 120 2020 年第 9 期2020 年 9 月 能源知识 （上接 120 页） 特别指出在进行液压支架选型设计时，必须首 先考虑煤层的开采高度和倾斜角度。研究有望为当代 煤矿大倾角煤层综采过程液压支架提供理论支持。 参考文献 ［1］XIU Z H， NIE W， CHEN D W， et al.Numerical simulation study on the coupling mechanism of composite-source airflow- dust field in a fully mechanized caving face ［J］ .Powder tech- nology， 2019， 35611 443-457. ［2］ 陈国瑜， 何涛， 张敬敏， 等.煤矿水液压支架安全阀复合织构阀 芯润滑性能分析 ［J］ .煤矿机械， 2019， 4011 87-90. ［3］ 张超， 贾清华.激光增材制造技术在煤矿液压支架柱塞上的应 用 ［J］ .煤矿机械， 2019， 4011 147-148. ［4］ 宋昊妍.煤矿液压支架智能推移控制系统的设计 ［J］ .机电工 程技术， 2019， 4810 49-51. ［5］ 任文涛.唐口煤矿矸石充填工作面端头液压支架改造 ［J］ .煤 矿安全， 2019， 5010 115-117. ［6］ 赵德雄.煤矿智能化异构集成开采系统研究 ［J］ .山东煤炭科 技， 20199 190-192. ［7］ 陈明亮， 何涛， 陈国瑜， 等.煤矿水液压支架安全阀阀腔气蚀特 性研究 ［J］ .煤炭工程， 2019， 519 147-151. ［8］ 祝鹏远.煤矿机电设备安装拆除工艺优化研究 ［J］ .内蒙古煤 炭经济， 201917 193. （ 责任编辑高志凤 ） h.巷道深度；d.巷道长度；籽s.电阻率。 图 7探测数据图 3钻探验证 根据物探成果图，在工作面布置了 3 个验证钻孔， 3钻孔在钻进 37 m 和 58 m 处分别出水 4 m3/h 和 22 m3/h；2钻孔在钻进 42 m 处涌水量为 8.6 m3/h；1 钻孔在 18.9耀38.7 m 有水涌出，最大涌水量为 26.8 m3/h， 同时在异常区，陷落柱在工作面回采过程中已被揭露 证实，且由钻孔出水情况可推算出陷落柱附近存在富 水区。综上所述，物探结果准确可靠，为工作面安全 回采提供了依据。 4结语 根据无线电波透视数据分析结果，得出在 5-1011 巷距迎头 75耀105 m 范围内，煤层中大约 20 m 处存在 一个陷落柱异常体。 根据瞬变电磁数据分析结果，得出距离开切眼水 平距离 52 m 左右，发育深度为 20 m （ 45耀65 m 之间 ） 的低电阻率区。 钻探结果证实了物探结果的准确性，为工作面安 全回采提供了依据。 参考文献 ［1］ 傅良魁.电法勘探教程 ［M］ .北京 地质出版社， 1983 103-105. ［2］ 李金铭.地电场与电法勘探 ［M］ .北京 地质出版社， 2005 94- 96. ［3］ 孙建平， 曹福祥.西部缺水地区地下水勘查物探技术方法优化 研究 ［J］ .水文地质与工程地质， 2006， 335 123-124. ［4］ 姬广柱， 周强， 侯国强， 等.综合物探方法在贫水山区找水的实 践 ［J］ .地下水， 2001， 234 208. ［5］ 陈乐寿.构造电法勘探 ［M］ .武汉 中国地质大学出版社， 1991 22-31. ［6］ 贺绍英.国外含水岩石激发极化效应的研究 ［J］ .物探与化探， 19794 41-49. ［7］ 赵楠， 王志豪， 赵吉祥， 等.物探方法在土石坝隐患探测中的应 用 ［J］ .工程勘察， 201410 83-88. ［8］ 王赟， 杨德义， 石昆法.CSAMT 法基本理论及在工程中的应 用 ［J］ .煤炭学报， 2002， 274 383-387. ［9］ 吴守华， 周国兴， 杨素霞， 等.陷落柱地震响应特征分析 ［J］ .煤 田地质与勘探， 2004， 323 52-54. ［10］ 杨武洋.煤矿陷落柱赋水特征的综合物探探查原理与方法 ［J］ . 采矿与安全工程学报， 2013， 301 45-50. （ 责任编辑白洁 ） 巷道顶板 巷道截面 发射回线 巷道底板 探测方向 45毅 图 6探测方向示意图 40 50 60 70 020406080 d/m 籽s/赘 m 王俊鹏 煤矿陷落柱综合物探技术 秸秆煤的市场前景 随着秸秆煤块、颗粒秸秆煤技术和设备的问世， 秸 秆等可燃生物质的转化利用有了最好的途径， 有广阔的 市场前景。 原料遍地都是 农作物秸秆、 树叶、 枯枝、 锯末、 杂草 等一切可燃的生物质， 都可做秸秆煤的原料。 制作秸秆煤的成本低 原料成本几乎为零。秸秆煤 的制作设备投资不大， 操作简便， 农村闲散劳动力经简 单培训可以上岗， 人力成本非常低。 秸秆煤的应用范围广 秸秆煤块、 颗粒秸秆煤使用 方便， 单位家庭都适用； 燃烧效果好， 做饭、 取暖、 洗浴都 需要， 是生物质发电厂的必需品。 123