特大采高液压支架发展与研究.pdf

第 24 卷 第 3期 2007 年 09 月 采矿与安全工程学报 Journal of Mining 2. 中国矿业大学 机电与信息工程学院, 北京 100083 摘要 为发展高产高效工作面及扩大一次采全高开采的适用范围, 当代液压支架结构高度不断 增加, 大于 5 m 的可称为特大采高液压支架. 由于采高加大使基本顶来压更加强烈, 支架的支护 强度更要加大. 文章通过模拟实验, 提出各类顶板特大采高支架的合理工作阻力值, 并提出为发 展特大采高综高对我国煤机配套设备相应的要求. 关键词 液压支架; 特大采高; 支护强度; 综采设备 中图分类号 TD 355. 4 文献标识码 A Development of Hydraulic Support for Super Great Mining Height ZHAO Hong - zhu1, SONG Qiu -shuang1, 2 1. China Coal Overseas Development Corp, Beijing 100011, China; 2. School of Mechanical Electronic and Ination Engineering, China U niversity of M ining super great mining height; support strength; ful- l excavation e - quipment 从上世纪 80 年代初我国厚煤层开采为简化工 艺、 减少掘进、 降低成本、 提高产量, 将机械化分层 开采部分改为一次采全高开采, 其液压支架结构高 度受我国煤机制造水平所限, 最大高度为 4. 7 m, 采高约 4. 5 m. 从本世纪初为减少煤炭损失, 提高 煤炭回收率, 建立高产高效工作面, 加之我国煤机 研制水平的进步, 液压支架结构高度向 6. 5 m 发 展, 已投入使用的液压支架最大高度已达 6. 2 m, 采高达 6. 0 m, 综采面日产达 2. 5 万 t, 使国产大采 高液压支架 采高大于 3. 8 m 迈上了一个新台阶. 支架高度大于 5 m 的可称为特大采高液压支架. 1 特大采高液压支架发展特点 表 1 为特大采高支架发展特征. 由表 1 可知 特大采高支架比前期大采高支架有了长足进步, 其 技术特征有明显提高, 使采煤工作面参数和配套设 备均有显著增大, 效果亦成倍地增长. 因此, 近两年 来原引进的大采高支架开始国产化, 新开发的矿区 和已用前期大采高支架的矿区按煤层赋存条件和 高产高效要求正在发展 5 m 以上液压支架, 2005 和 2006 年我国两个主要生产液压支架厂研制特大 采高支架达 3 000 多架, 创历史新高. 采矿与安全工程学报第 24 卷 表 1 特大采高支架发展特征 Table 1 Development character of bracket with super great cutting - height 名称大采高特大采高 液压 支架 技术 特征 结构高度/ m3. 8 4. 75. 0 6. 5 支护强度/ MPa0. 5 0. 70. 8 1. 2 工作阻力/ kN3 200 5 600 6 000 12 000 支架宽度/ m1. 51. 75 架型 多数支撑掩护式掩护式 控制方式手工电液控 立柱缸径/ mm最大 320高达 380 支架重量/ t 15 30 型式试验/ 次8 000 12 000 30 000 50 000 采面 参数 与效果 采高/ m3. 6 4. 54. 8 6. 2 工作面长度/ m150 180 200 推进长度/ m1 000 2 000 最大超过 4000 采煤机功率/ kW300 6001 000 2 000 刮板输送机功率/ kW264 400800 2 100 掩护式年产/ 万t最高达 230高于 500 支撑掩护式年产/ 万t最高达 150高于 300 国外液压支架厂家除向我国神东和晋城矿区 提供 7 套 5. 0 5. 5 m 大采高支架外, 向南非和捷 克也曾提供过达 6. 0 和 6. 2 m 高的 5 套大采高支 架. 晋城寺河煤矿采用 ZY9400/ 28/ 62 型掩护式支 架工作面日产可达 27 509 t [ 1] , 大同四老沟矿采用 ZZ9900/ 29. 5/ 50 型支撑掩护式支架, 工作面在受 矿井运输条件制约的情况下, 最高月产 31. 5 万 t. 神东矿区采用全引进大采高设备效益更加显著, 其 中上湾矿利用 DBT8638/ 25. 5/ 55 型掩护式支架创 日产 50 944 t 的新纪录, 哈拉沟煤矿、 上湾煤矿和 祁连塔煤矿 3 个综采队年产均超过 1 000 万 t. 总之, 特大采高液压支架发展特点是结构高度 大, 工作阻力高, 发展速度快, 需求数量多, 使用效 果好, 有大发展的趋势. 2 特大采高液压支架工作面矿压特征 根据表 2 中 7 个大采高工作面统计, 基本顶初 次来压步距为 18. 5 37. 2 m, 平均为 30. 6 m, 按 我国顶板分类标准衡量, 凡基本顶初次来压步距在 25 50 m 之间, 均属于来压明显的Ⅱ级基本顶. 对 此相应的动载系数在 1. 2 1. 4 之间. 然而实测表 明大采高支架工作面在Ⅱ级基本顶条件下, 采高增 加, 动载系数有增大的趋势, 如寺河和东庞矿采高 在 4. 5 6. 2 m 之间, 其动载系数比采高在 3. 8 4. 2 m 之间时要大得多, 其平均值分别为 2 和1. 3, 采高大者比采高小者高 54. 表 2 近年来大采高支架工作面矿压观测数据 Table 2 Mine pressure observation data of working face with super great cutting -height in recent years 序号煤矿工作面煤厚/ m采高/ m架型 基本顶来压步距/ m 初次周期 动载系数 初次周期 实测工作阻力/ kN 最大平均 1大柳塔206014. 284. 0WS6700/ 21/ 4535. 411. 11. 1662015999 2祁连塔221653. 8ZY6000/ 25/5031. 59. 31. 091. 1259404598 3东庞21014. 64. 6BY3600/ 25/ 507. 31. 971. 54 4寺河矿223016. 275. 0DT8638/ 25. 5/ 5526. 414. 22. 573123 5寺河矿23036. 275. 2ZY8640/ 25. 5/ 5537. 212. 71. 441. 3378264845 6寺河矿23076. 66. 2ZY9400/ 28/6234. 820. 11. 821. 8796093382 7沙田矿241014. 24. 2ZZ5200/ 25/ 4718. 514. 81. 431. 35 平均5. 34. 730. 612. 81. 641. 4473944389 根据同样Ⅱ级基本顶条件下 26 个工作面的统 计, 中厚煤层液压支架工作面基本顶初次和周期来 压时, 动载系数分别为 1. 37 和 1. 31, 而大采高工 作面基本顶来压强度比中厚煤层工作面约高 50 . 然而在Ⅱ级基本顶条件下, 特大采高工作面 基本顶来压强度的实测值与中厚煤层Ⅲ Ⅳ级基 本顶来压强烈的条件下的动载系数十分接近 [ 2] . 按照我国顶板分类, 基本顶初次来压步距为50 85 m, 属Ⅲ级基本顶, 来压强烈, 其动载系数为 1. 4 1. 6; 基本顶初次来压步距大于 85 m, 属Ⅳ级 基本顶, 来压极强烈, 其动载系数大于 1. 6, 处于Ⅱ 级基本顶条件下的采高大于 4. 5 m 的大采高工作 面动载系数与处于Ⅲ, Ⅳ级基本顶条件下的中厚煤 层 采高小于 3. 5 m 的综采面动载系数相近. 总之, 即使 是基本顶属 Ⅱ级, 在采高 大于 4. 5 m以后, 其基本顶来压强度, 即动载系数已升 至基本顶来压强烈与极强烈阶段, 平均值可能大于 2. 在选择液压支架支护强度和工作阻力时必须按 支架承受基本顶来压强烈阶段的载荷来考虑. 由寺 河矿采高 5. 2 和 6. 2 m 工作面实测支架工作阻力, 最大值分别为 7 826, 9 609 kN, 而平均值分别为 4 845, 3 382kN, 两值之比即动载系数分别为1. 62 和 2. 84 即可证实. 3 大采高工作面基本顶来压的模拟试验 为查明大采高工作面上覆岩层的运动、 破坏范 围及围岩应力分布规律, 曾以Ⅱ2顶板为模拟对 象, 如图 1 所示, 做了 4 台同一岩性不同采高 3. 5, 266 第 3 期赵宏珠等 特大采高液压支架发展与研究 4. 5, 5. 5 和 6. 5 m 的平面相似模型试验及有限元 计算, 通过试验可表明特大采高支架工作面基本顶 来压强度高[ 4]. 图 1 上覆岩层垮落的相似模拟试验 Fig. 1 Similarity -simulation test of collapse in overlying strata 3. 1 工作面上覆岩层断裂、 垮落特点 从模拟实验中断裂垮落过程看来, 不同采高工 作面上覆岩层断裂垮落有下列特点[ 3]. 1 不同采高工作面上覆岩层断裂垮落相同点 a. 工作面基本顶初次来压步距及垮落高度相 近, 分别为 65 70 m 和 15 m. b. 工作面上覆岩层断裂垮落角相近, 约 60. c. 工作面基本顶初次与周期来压步距相近, 约 为 20 m, 工作面基本顶周期断裂高度, 随基本顶周 期断裂顺序递增而加大. 2 不同采高工作面上覆岩层断裂垮落不同点 a. 工作面基本顶初次垮落后, 采空区内自由 空间高度随采高加大而增大, 采高为 3. 5, 4. 5, 5. 5 和 6. 5 m 时, 自由空间高度分别为 2, 3, 4 和 5 m. b. 工作面基本顶周期断裂高度随采高加大而 变化. 当工作面上覆岩层断裂垮落后自由空间较高 时, 随采高加大而增大. 如自由空间高度为 2 4 m, 采高为 3. 5, 4.5, 5. 5 和 6. 5 m 时, 工作面基本顶周 期断裂高度分别为 25, 28, 31 和 36 m. 相反, 当工 作面上覆岩层断裂垮落后自由空间较低时, 随采高 加大而减少. 如自由空间高度 0. 2 2. 5 m, 采高为 3. 5, 4. 5, 5. 5 和 6. 5 m 时, 工作面基本顶周期断裂 高度分别为 85, 83, 82 和 80 m, 逐渐趋于定值. c. 工作面上覆岩层断裂垮落后自由空间高度 随采高加大而增高. 尤其是采高达 6. 5 m 时, 在整 个回采过程中自由空间始终是存在的, 且大于 3 m. 这对支架受载和工作面围岩稳定性是十分不 利的, 见图 1b. d. 开切眼和停采线一侧的断裂边界角均随采 高加大而扩大. 采高为 3. 5, 4. 5, 5. 5 和 6. 5 m 时, 开切眼一侧断裂边界角分别为 52 , 52, 55和 65. 由此可见, 随采高加大, 上覆岩层断裂最终范围也 在扩大. e. 随采高加大, 地表下沉盆地深度也在加大. 总之, 采高加大对基本顶初次和周期来压步距 及基本顶初次断裂垮落高度的影响不十分突出. 采 高加大对上覆岩层断裂、 垮落后产生的自由空间影 响最大, 特别是采高达 6. 5 m 时, 由于自由空间的 存在和加大, 使上覆岩层断裂垮落过程延长, 对支 架的动载作用加剧, 它将影响工作面围岩稳定程 度, 使支架受载加大, 支架稳定状态变坏. 3. 2 工作面上覆岩层移动特点 随着工作面向前推进, 工作面上覆岩层不论采 高多大均超前于煤壁开始移动 [ 3] . 工作面上覆不同 高度的岩层随采空区扩大而断裂垮落. 距煤层越 远, 工作面上覆岩层断裂线至煤壁距离越大. 岩层 断裂后, 岩层移动量急剧增大, 其增值为 150 200 mm, 乃至更多. 不同采高条件下, 上覆岩层折 断移动影响范围为 1 采高为 3. 5 m 时, 煤层上覆 67 m 处, 即近 20 倍采高处, 岩层随工作面推进而发生折断, 再上 只产生弯曲下沉, 而不发生折断. 2 采高大于 3. 5 m 时, 煤层上覆 94. 5 m 处, 岩层随采面推进而发生断裂. 采高为 4. 5 和 5. 5 m 时, 上覆岩层断裂线至煤壁距离相近, 均为 50 m. 而采高为 6. 5 m, 增大 30 . 由此可见, 采高等于 6. 5 m 时, 随工作面向前推进, 上覆岩层运动范围 在扩大. 3. 3 采面围岩应力分布 不同采高、 同一工作面围岩条件下, 有限元计 算见表 3, 结果表明, 不论顶梁长短、 支架工作阻力 高低, 其等应力线分布趋向相近, 只是其应力变化 区间及分布范围有所差异. 1 工作面围岩应力变化区间随采高加大而减 少, 其中应力上限减少, 下限增大. 这反映随采高加 大围岩应力有升高的趋势. 2 当支架工作阻力较低时, 随采高加大, 工作 面围岩应力分布范围变化的趋势是低压区扩大, 高 压区缩小; 煤壁前方和工作面上覆岩层内应力分布 范围变化逐渐加大, 煤壁后方应力分布变化不大. 这反映随采高加大, 高应力分布有集中的趋势. 3 当支架工作阻力较高时, 随采高加大, 工作 面围岩应力变化范围是低压区扩大, 高压区缩小, 特别是靠近煤壁的工作面上覆岩层处. 这反映随采 高加大, 高应力分布进一步向煤壁上方集中. 这些随采高加大而导致的围岩应力升高及高 应力区向煤壁前方及下位岩层处集中的趋势, 无疑 说明采高越大, 工作面上覆岩层受采动引起的应力 267 采矿与安全工程学报第 24 卷 破坏越严重. 这和前述相似材料模型试验结果 采 高越大, 工作面上覆岩层变形、 移动、 断裂区域越 大, 对支架的动载作用越明显是一致的. 总之, 从工作面上覆岩层断裂、 垮落和移动影 响范围及围岩应力分布变化来看, 采高大于 5. 5 m 后, 工作面上覆岩层在回采过程中始终处于运动状 态, 自由空间大, 上覆岩层断裂步距大, 工作面支架 受载范围大. 当基本顶来压时, 即上覆岩层内因自 由空间的大面积存在, 可导致基本顶大面积来压或 冲击, 因此上覆岩层断裂垮落时, 可能对支架产生 较大的动压, 表现为动载系数加大, 其增大程度如 前所述, 基本顶来压强度可增大 1 2 个级别. 为 此, 在设计采高大于 5. 0 m 的支架时, 必须按基本 顶来压强度提高 1 2个等级来确定支护强度和工 作阻力, 并装备强有力的防片帮和梁端冒顶装置, 以确保液压支架支护空间工作安全, 实现大采高工 作面高产高效. 4 特大采高液压支架合理支护强度的确定 经有限元计算分析, 结果如表 3 所示, 不论采 高是 3. 5 m, 还是 6. 5 m, 加大工作阻力对工作面 上覆岩层应力变化区间影响较小, 对其分布范围几 乎无影响. 显然, 这说明改变支架工作阻力并不能 改变围岩应力分布, 也就不能阻止围岩破坏. 但大 采高支架应具有足够支撑工作面上覆破裂岩层的 能力. 表 3 支架工作阻力对围岩应力变化的影响 Table 3 The influence of bracket s working resistance on the stress of surrounding rock 采高/ m 顶梁长/ m 工作阻力/ kN 架- 1 4 000 区间/ MPa 差值/ MPa 4 800 区间/ M Pa 差值/ MPa 6 000 区间/ MPa 差值/ MPa 3. 54. 0- 511. 13 60. 993- 450. 137- 509. 57 60. 966- 448. 604 3. 55. 0- 511. 20 - 60. 985- 450. 215- 509. 69 - 60. 954- 448. 736 6. 54. 0- 485. 92 - 64. 260- 421. 660- 484. 48 - 64. 224- 420. 260- 482. 32 - 64. 172- 418. 148 因此, 大采高支架合理工作阻力应首先按岩层 自重法确定, 有条件时可用其它确定方法作为参 考 [ 4] . 确定适应我国大采高支架工作阻力可考虑基 本顶来压时支架工作阻力确定方法, 并考虑导水裂 隙带与采高的关系, 可用下列两式计算坚硬覆岩及 中等硬度覆岩条件下大采高支架工作阻力的合理 值, 见表 4. 表 4 合理工作阻力或支护强度 Table 4 Rational working resistance or supporting intensity 采高/ m34567岩性 工作阻力/ kN 架- 15 650 6 200 6 600 6 900 7 100 支护强度/ kPa750830880920950 坚硬 工作阻力/ kN 架- 13 500 3 950 4 250 4 450 4 650 支护强度/ kPa470530570590620 中硬 对于坚硬覆岩, 基本顶来压强烈 Ⅲ P硬 100m 1. 2m 2 sc , 对于中硬覆岩, 基本顶来压明显 Ⅱ P中 100m 1. 6m 3. 6 sc , 式中 P硬为相当于Ⅲ级基本顶支架工作阻力合理 值, kN/ 架; P中为相当于Ⅱ级基本顶支架工作阻力 合理值, kN/ 架; m 为采高, m; 为岩石容重, kN/ m3 坚硬岩石取 28, 中硬岩石取 26 ; s 为支架支护 面积, 取 7. 5 m2; c 为H裂修正系数, 取 0. 5. 综合其它方法确定大采高支架工作阻力值, 推 荐各级顶板大采高支架选用表 5 所列的合理工作 阻力值为好. 对于Ⅳ级基本顶采取预裂或软化措施 后方可选用此推荐值 [ 3 -5] . 表 5 推荐的合理工作阻力值 Table 5 Rational working resistance of recommend 采高/ m34567基本顶来压 工作阻力/ kN 架- 1 3 120 3 750 4 400 5 000 5 650 支护强度/ kPa450550650750850 Ⅱ级, 来压明显 工作阻力/ kN 架- 1 5 650 6 000 6 350 6 750 7 150 支护强度/ kPa750800850900950 Ⅲ级, 来压强烈 工作阻力/ kN 架- 1 6 750 7 500 8 250 9 000 9 750 支护强度/ kPa900 1 000 1 100 1 200 1 300 Ⅳ级, 来压剧烈 5 发展适应我国特大采高的综采支架 特大采高综采已不断创造了高产高效新纪录, 如前所述, 在采用全部引进综采成套设备的情况 下, 神东矿区已出现了多个年产千万吨级大采高综 采工作面. 然而国产适应特大采高综采的采掘设备 尚存在较大差距, 此差距即是发展特大采高高产高 效综采为我国煤机研制提出的课题和挑战. 1 液压支架研制 目前特大采高液压支架多为国外引进, 它的质 量优异, 寿命试验已达 50 000 60 000 次; 其性能 稳定, 工作阻力高, 结构高度大, 推进速度快, 构件 可靠, 液压件密封好, 胶管强度高, 结构件焊接好, 268 第 3 期赵宏珠等 特大采高液压支架发展与研究 电液阀控制好等. 在特大采高综采成套设备中, 液 压支架是国产化程度最高的, 其结构高度已达 6. 2 m, 工作阻力已达 9 900 kN, 但其关键构件尚须引 进, 如较大流量的安全阀、 立柱密封圈、 高强度胶 管、 电液控制系统、 乃至380 mm 以上的立柱或管 材等. 此外高强度的钢材供货及焊接高强度的工艺 水平尚显不足. 因此, 国产大采高液压支架要达到 高产高效先进水平, 尚须从设计、 工艺、 选材、 制造 等多方面攻关, 若支架质量、 性能和可靠性不提高, 回归的市场仍可能丢失. 2 电牵引采煤机研制 特大采高电牵引采煤机基本上都是从国外引 进的. 它的采高达 6. 0 m, 功率达 1 800 kW 以上, 截深达 1. 0 m, 日产最高达 5 万 t 以上, 过煤量达 500 万 t 左右, 功能齐全, 性能稳定, 使用可靠, 已 被发展中的大采高综采实践所认可. 而适用于大采 高综采的国产电牵引采煤机虽采高可达 5. 5 m, 功 率已达 2 000 kW 左右, 截深达 0. 8 m, 但目前还处 于初步试验阶段, 电控系统多为引进的, 机械部分 从设计至制造尚属探索阶段, 因此, 机械故障较多, 牵引速度慢, 摇臂断裂, 齿轮打伤等事故频繁, 功率 大了, 机械强度尚须提高. 电器事故多. 单位时间产 煤量还不太高. 欲将国产大采高电牵引采煤机实现 高产高效, 研制者尚须下大力攻关, 否则将占领不 了大采高电牵引采煤机发展迅速的国内市场[ 6]. 3 加大运输设备过煤量 和特大采高工作面配备的刮板输送机、 转载 机、 破碎机及能自动移机尾的可伸缩胶带输送机正 在从国外引进向国产化转变. 大功率、 大运量、 软起 动、 适于高产高效综采运输设备的国产设备已具备 供应国内市场需求的能力, 但国产设备强度及过煤 量比国外同等设备还差个档次 约 200 万 t , 加之 国外运输设备仍在发展, 如在提高过煤量和开发更 大功率、 更大运量、 更加强力的运输设备等方面进 展不大, 同样可能放慢大采高高产高效综采运输设 备国产化的进程 [ 7] . 4 加速掘进设备研制 特大采高综采工作面推进速度快, 推进距离 长, 巷道断面大, 掘进出煤量多 一般年产可达 200 万 t , 要求掘锚一体化. 因此, 国产掘进机及其后 配套设备已远不能满足要求. 当前神东、 晋城、 大同 等高产高效大采高综采均配置连续采煤机、 梭车和 给料破碎机、 锚杆钻车等设备, 或采用掘锚一体化 机组等实现快速巷道掘进, 以保证采掘衔接. 而这 些设备主要靠引进, 国产设备尚无问世. 为了占领 日益增长的市场需要, 我国应加速研制这些掘进设 备, 尽快打入此煤机市场[ 6]. 5 研制重型化辅助运输设备 特大采高综采设备重量都在加大, 其中液压支 架每架重约 35 40 t, 采煤机重约 50 70 t, 运输 设备虽可折, 但机头、 机尾传动机构和电机等重量 也在增加, 加之综采设备搬家倒面要求加快, 缩短 非生产时间. 对此要求, 大采高高产高效综采、 综掘 发展的矿区均购置国外载重 30 t 以上的无轨胶轮 运输车及其辅助运输设备. 而我国无轨胶轮运输车 载重量偏低, 功能不全, 尚须向重型化、 多功能方向 发展, 否则此煤机市场将被国外长期占领. 参考文献 [1] 高有进. 6. 2 m 高可靠性大采高液压支架的选型与 设计[ J] . 中国煤炭, 2007, 33 2 34 -37. 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