平朔矿区俩柱掩护式放顶煤支架适应性研究.pdf

第 39 卷第 11 期 煤 炭 科 学 技 术 Vol. 39No. 11 2011 年11 月 Coal Science and TechnologyNov．2011 网络出版时间与地址2011 －11 －15 1502;www. cnki. net/kcms/detail/11. 2402. TD. 20111115. 1502. 008. html 平朔矿区两柱掩护式放顶煤支架适应性研究 张忠温 中煤平朔煤业有限责任公司，山西 朔州036006 摘要基于平朔矿区首次使用 ZFY12000/23/40D 两柱掩护式放顶煤支架，为评价该支架在此矿 区的适应性，总体研究了支架结构、承受载荷、平衡千斤顶、电液控制系统和实际使用工况。结果 表明支架结构能满足放煤要求;实测周期来压步距 11. 6 m，动载系数 1. 71;支架工作阻力 5 941 kN，最大 12 443 kN;支架二柱受力偏差5. 96;放煤后支架受力降低13;放煤后平衡千斤顶受 力变化最大 30. 23;实测支架移架时间初期 29. 8 s、后期 59. 7 s，放煤时间 54. 3 s;工作面遇断 层和风化氧化区，架前冒顶和煤壁片帮增多;电液控制系统控制器失效较多。分析认为 ZFY12000/ 23/40D 型两柱式放顶煤支架在该地质条件下适应性较好。 关键词两柱式掩护式放顶煤支架;支架适应性评价指标;平衡千斤顶;电液控制系统 中图分类号TD355. 4文献标志码A 文章编号0253 －2336 201111 －0031 －05 Study on Suitability of Hydraulic Powered Two Lag Shield Caving Support in Pingshuo Mining Area ZHANG Zhong- wen China Coal Pingshuo Coal Industrial Company Ltd． ，Shuozhou036006，China AbstractDue to the ZFY12000/23/40D two leg hydraulic powered shield caving support first applied to Pingshuo Mining Area，in order to uate the suitability of the powered support to the mining area， the powered support structure， bearing loads， hydraulic balance jack， electric and hydraulic control system and actual application conditions were generally studied． The study results showed that powered sup- port structure could meet the top coal caving requirements． The site measured periodical strata pressurized step distance would be 11. 6 m and the dynamic load coefficient would be 1. 71． The working resistance of the powered support was 5 941 kN and the max working resist- ance would be 12 443 kN． The loading differential of the two legs would be 5. 96． After the top coal caved，the load on the powered support would be reduced by 13． After the top coal caved，the max load variation value on the hydraulic balance jack would be 30. 23． The site measured time of the powered support forward advancing was 29. 8 s in the initial period， was 59. 7 s in the later period and the top coal caving time was 54. 3 s． The occasions to pass through the faults and the weathered oxidized zone，the roof failing in the front of the powered support and the coal wall spalling for the coal mining face were increased． There were many failures occurred in the controller of the electric and hydraulic control system． The paper held that the ZFY12000/23/40D two leg hydraulic powered caving sup- port could have a good suitability under the such geological conditions． Key wordshydraulic powered two lag shield caving support;index of powered support suitability uation;hydraulic balance jack; electric and hydraulic control system 收稿日期2011 －06 －05;责任编辑曾康生 作者简介张忠温 1964 ，男，河北南皮人，高级工程师，硕士，现任中煤平朔煤业有限责任公司总工程师，长期从事煤矿生产及安全方 面管理工作。联系人黄志增，Tel010 －84263880 －8101 综放开采技术自 20 世纪 80 年代在我国应用发 展以来，经过近 30 年的实践，充分证明了它是实 现特厚煤层高产高效的有效技术途径［1 ］。放顶煤 支架是综放开采的核心装备之一，目前放顶煤工作 面广泛应用四柱支撑掩护式低位放顶煤支架，是国 内应用最为成熟的架型，此架型稳定性好，抗偏载 能力强，可靠性高。但该型支架存在结构和控制系 统复杂、移架速度慢、前后立柱受力不均衡、与电 液控制系统配套适应性差等问题。目前，以德国、 美国和澳大利亚等发达国家为代表的世界煤矿液压 13 2011 年第 11 期煤 炭 科 学 技 术 第 39 卷 支架架型普遍向两柱掩护式整体顶梁电液控制方向 发展。因此，开发新型两柱掩护式放顶煤支架成为 放顶煤液压支架架型发展的一种必然选择［2 －3 ］。两 柱掩护式放顶煤支架是对综放支架架型的一次重大 变革 ，“十五”期间天地科技股份有限公司开采设 计事业部联合兖州矿业集团共同研制了国内首套两 柱掩护式放顶煤支架，在兴隆庄煤矿完成工业性试 验且取得很好的效果，同时，研制成功的两柱式放 顶煤支架成功应用于澳大利亚澳思达矿［4 －5 ］。 “十 一五”期间高端液压支架关键技术取得突破，形 成了具有自主知识产权的高端液压支架技术体系， 使我国的支架制造产业跃居世界前列［6 －7 ］。随着神 东煤炭集团保德、柳塔矿两柱式放顶煤工作面试验 成功和煤矿装备高效开采自动化、智能化的发展趋 势 ［8 －9 ］，中煤平朔公司引进两柱式放顶煤电液控制 支架在平朔矿区进行放顶煤回采，本文就该套支架 的应用情况进行相关的研究。 1工作面概况 平朔井工一矿 4108 综放工作面为太西采区 4 煤第 3 个工作面，北部为 4107 工作面，东部为太 西采区大巷煤柱，南部为开拓区，西部为物探采空 区及小煤矿开采区。地表为低山丘陵，河沟发育。 工作面相对应的地面标高 1 284 1 425 m，煤 层底板标高 1 035 1 180 m。回采工作面走向 长2 690 m，工作面长 300 m。 工作面所采煤层为 4 号煤层，煤层结构复杂， 由 1 ～4 个煤分层组成。煤层厚度 6. 9 m，煤层倾 角一般为 0 ～ 5，煤层普氏系数 f 2 ～ 3。工作面 直接顶厚度 5. 51 ～ 20. 33 m，平均厚 11. 89 m，灰 白色，厚层状，节理裂隙较发育，成分以石英为 主。直接底为泥岩，厚 0 ～ 4. 50 m，平均厚 1. 42 m，裂隙发育。基本底厚 0. 74 ～ 9. 80 m，平均厚 4. 28 m，岩性为细粒砂岩。工作面回采范围内已经 探明的有背斜 底层倾角 5和向斜 底层倾角 3各 1 个，断层 14 条，断层落差 1. 0 ～ 5. 0 m。 工作面设计割煤高度 3. 4 m，放煤高度 3. 5 m，采 放比 1∶1. 03，单向割煤，一刀一放，循环进尺 0. 8 m。基本支架选用 ZFY12000/23/40D 型电液控 制两柱掩护式低位放顶煤支架，基本参数高度 2. 3 ～4. 0 m，中心距 1 750 mm;支护强度 1. 25 ～ 1. 27 MPa，初撑力 7 917 kN，工作阻力12 000 kN， 对底板比压 3. 3 ～3. 4;支架适应倾角不大于 15。 2支架适应性分析 2. 1支架适应性评价指标 有学者通过理论分析给出了两柱掩护式放顶煤 支架适应条件的判断公式［10 －11 ］，但此公式理论性 太强，从应用的角度讲不适合现场支架适应性评 价。评价两柱式放顶煤支架的适应性的主要因素是 其能否为工作面生产创造一个安全高效的环境，据 此将两柱式放顶煤支架适应性的评价指标确定为 ①支架结构的适应性;②支架承受载荷的适应性; ③平衡千斤顶的适应性;④电液控制系统的适应 性;⑤实际使用工况。 支架结构的适应性从支架设计之初就应考虑， 高可靠性液压支架的设计一般采用现代设计理念和 三维动态设计方法，大采高液压支架设计防片帮冒 顶机构，研究两柱式放顶煤支架稳定性及结构设计 等。工作面选用的 ZFY12000/23/40D 型支架采用 单排立柱高工作阻力、平衡千斤顶高调节能力和电 液控制系统，能够适应现场放顶煤工作面要求，因 此本指标是支架应用前的基本设计指标，现场的适 应性评价方面主要考虑后面 4 个指标。 支架承受载荷的能力是支架适应性评价的最重 要的指标，也是最基本的指标。支架承受载荷的能 力主要反映在支架工作阻力、支架初撑力以及放煤 过程的动态影响上。 两柱式放顶煤支架平衡千斤顶设计是与四柱式 放顶煤支架的重要区别之处，两柱式放顶煤支架通 过平衡千斤顶受拉、不受力和受压 3 种状态来调节 支架的受力状态，相应使支架处于平衡千斤顶受拉 工作区、立柱工作区和平衡千斤顶受压工作区这 3 种工作状态，因此平衡千斤顶的调节能力是评价两 柱式放顶煤支架适应性的重要指标。 选用的两柱式放顶煤支架选用了电液控制系 统，电液控制是放顶煤工作面实现高产高效的有效 途径，研究电液控制的现场应用情况也是支架现场 适应性的重要评价指标。评价支架的适应性的重要 方面是现场的实际使用工况，包括移架速度、维修 情况、特殊地质条件下使用情况等。 2. 2支架承载的适应性 工作面采用 KJ21 矿山压力监测系统对支架受 力情况进行连续观测，工作面初次来压步距 39. 8 23 张忠温平朔矿区两柱掩护式放顶煤支架适应性研究2011 年第 11 期 m，周期来压步距平均 11. 6 m，动载系数 1. 71。 两柱式放顶煤支架工作面来压特征与邻近的四柱式 放顶煤工作面基本一致［12 ］。 1工作阻力。工作面支架工作阻力统计表 明，支架循环末阻力变化从 5 190 ～ 8 215 kN，平 均 5 941 kN，仅达到额定工作阻力的 43. 25 ～ 68. 46，平均 49. 5，尚有较大的富裕量。各支 架工作阻力的分布如图 1 所示。 图 1各支架工作阻力频率分布 从分布形态来说各支架工作阻力分布较合理， 呈正态分布;工作阻力大部分在 2 000 ～9 000 kN， 支架总体受力不大。但 75 号支架超过 12 000 kN 的部分达到 2. 05，最大循环末阻力曾达到12 443 kN。支架工作阻力能够适应工作面的顶板来压条 件，特别是顶板来压时带来的冲击载荷。 2初撑力。支架初撑力统计表明，支架初撑 力从2 407 ～4 958 kN，平均2 999. 5 kN，达到额定 初撑力的 30. 4 ～ 62. 6，平均 37. 9，支架初 撑力水平偏低。各支架初撑力的分布如图 2 所示。 图 2各支架初撑力频率分布 各支架初撑力频率分布较均衡，初撑力水平总 体偏低;绝大部分在1 000 ～6 000 kN，与7 917 kN 的额定初撑力水平相比差距较大，现场需采取措施 提高支架初撑力，尤其是来压期间更应注意，以减 少顶板活动对采场的影响，确保工作面端面稳定。 3动态稳定性。支架的动态稳定性主要包括 纵向稳定性和横向稳定性，支架的纵向稳定性除与 煤层条件有关外，主要与放煤过程导致的支架外载 荷变化有关，支架的横向稳定性主要是看支架左右 立柱的受力。 放煤时支架左右柱受压力都有不同程度的降 低，放煤结束后，经过 10 ～ 40 min 立柱的受力会 逐渐恢复。统计发现，放煤后支架立柱受力降低幅 度总平均 13。其中，支架左柱受力降低幅度从 1. 67 ～ 38. 75，平均 13. 11;支架右柱受力 降低幅度从 0 ～50. 31，平均 12. 91。放煤工艺 对支架纵向稳定性的影响不大。 支架左柱受力 15. 12 ～32. 29 MPa，平均 22. 87 MPa;支架右柱受力 20. 84 ～ 33. 12 MPa，平均 24. 43 MPa。支架左右柱受力偏差从 0. 26 ～ 42. 27，平均 5. 96，支架左右柱受力比较均 衡，能够适应放煤工艺导致的支架横向外载荷 变化。 2. 3平衡千斤顶的适应性 支架平衡千斤顶缸径 230 mm/160 mm 杆 ， 采用进口双向锁，总推力和拉力分别达到 1 787、 922 kN 闭锁时压力 43 MPa 。 统计分析平衡千斤顶上下腔的阻力变化，如图 3 和图 4 所示。平衡千斤顶上腔工作阻力在 0 ～200 kN 区间内的分布频率在 25. 71 ～ 77. 73，上腔 大部分时间受力较低。下腔的工作阻力处于 0 ～ 200 kN 区间的占 33. 47 ～ 64. 06，下腔整体受 力较低。平衡千斤顶未承受太大的作用力，表明支 架在处于非立柱工作区时，支架的受力未远离立柱 工作区域，支架整体的受力状态较好。 工作面放煤后，平衡千斤顶上腔工作阻力下降 的占 68. 18，工作阻力上升的占 22. 73，工作 阻力变化不明显的占 9. 1;下腔工作阻力降低的 占 27. 3，工作阻力上升的占 54. 55，工作阻力 变化不明显的占总数的 18. 18。放煤过程导致平 33 2011 年第 11 期煤 炭 科 学 技 术 第 39 卷 图 3平衡千斤顶上腔工作阻力分布 图 4平衡千斤顶下腔工作阻力分布 衡千斤顶工作阻力变化是不规律的，变化最大没有 超过额定阻力的 30. 23，平衡千斤顶适应放煤过 程的动态影响。 2. 4电液控制系统的适应性 支架配套了 EEP 电液控制系统，电液控制液 压支架的液压系统较之手动控制支架系统，使用了 含有电磁先导的主控阀组，便于电控系统对液压的 控制。工作面的乳化液水源经过过滤、减压和自动 软化水处理装置处理后进入乳化液箱。乳化液采用 自动配比，能够保障工作面支架所用乳化液的浓度 大于 5。 电液控制系统对水质的要求较高 过滤精度 0. 025 mm ，由于水源硬度较大，虽经软化水设备 软化，实际生产过程中不可避免会有较大颗粒的杂 质影响，运行初期，电液控制系统优势明显，运行 一段时间以后，支架需要频繁的反冲洗，几乎每个 循环都要反冲洗，影响了电液控制系统的正常 使用。 电液控制系统控制器要求防砸和防水，工作面 的条件比较潮湿，加上支架管路的 “跑冒滴漏” 不可避免，电液控制系统许多控制器的按键都灵敏 度降低，甚至失效。工人在拉架过程中会经常发生 支架不能正常动作，需来往走动到本架进行手动控 制，增加了工作面的拉架时间，使电液控制系统的 优势减弱。 2. 5现场应用情况 1移架时间。由于采用了电液控制，工作面 回采初期 推进 30 m移架速度较快，单架移架 时间 27. 4 s，架间影响时间较短，分段移架单架时 间总平均 29. 8 s;后期 推进至 900 m移架速度 降低，单架移架时间 41. 2 s，较初期增加了 13. 8 s，架间影响时间增多，较初期增加了 16. 1 s，分 段移架时间总平均 59. 7 s，较初期增加了 18. 9 s。 移架时间的增加主要是电液控制系统的影响所致。 2放煤时间。现场支架放煤时间是根据支架 后方顶煤的情况而定，若支架后方顶煤较多，则放 煤时间相应较长，若支架后方顶煤较少，则放煤时 间相应较短，若支架后方明显见矸石，则不放煤。 两柱式支架单架放煤时间平均 47 s，架间影响时间 平均 7. 3 s，总平均 54. 3 s。工人在放煤过程中主 要的架间时间用于架间行走和对后部顶煤情况的观 察，而工作面支架放煤过程中采用邻架控制，控制 器有时不灵敏，需要返回本架进行手动控制，增加 了放煤所用时间。 3检修情况。分析了工作面一个月的各项检 修损耗情况如下密封更换 56 个，管路损坏 64 处，电磁阀更换 136 个，控制器更换 3 个，安全阀 更换 5 个，千斤顶更换 3 根。 从常规的液压管路和密封的损耗来看，基本每 天都有损坏和维修。支架大件千斤顶的损坏和维修 情况与邻近的四柱式放顶煤工作面也基本一致，但 电液控制系统更换的零部件更换数量较多。 4特殊地质条件下的使用情况。从地质资料 来看，工作面推进方向大部分处于近水平 ≤8 和缓倾斜 8 ～12 ，支架设计适应倾角范围不大 于 15，能够适应现场回采的要求。 现场回采过程中暂未遇到落差较大的断层，对 于落差较小的断层，工作面煤壁片帮情况有所增 43 张忠温平朔矿区两柱掩护式放顶煤支架适应性研究2011 年第 11 期 加，端部冒顶情况增加，由于支架采用整体顶梁设 计，对端部冒落区不能上挑及时支护，会导致支架 端面维护变差，支架对断层的适应性一般。回采过 程遇到风化氧化区域时，煤体强度明显降低，整体 性变差，工作面割煤过后，易发生煤壁片帮和架前 冒顶，支架的适应性较差。在压死支架等复杂条件 下，两柱式支架采用双伸缩，压死后空间较小，且 电液控制器被压坏，再操作困难。此类复杂的地质 条件下，支架的适应性较差。 3结论 1ZFY12000/23/40D 两柱式放顶煤支架结构 合理，能够适应平朔矿区综放开采实践。 2实际使用过程中，两柱支架初撑力与运行 工作阻力偏小，导致基本顶来压时动载系数较大， 但支架支护强度能够满足综放采场对矿压的要求。 3实测分析表明两柱综放支架放煤前后受力 变化不大，左右柱受力偏差不大，说明两柱支架能 适应放煤引起的支架载荷变化。 4平衡千斤顶受力较小，放煤导致的平衡千 斤顶动载变化不大，说明平衡千斤顶能够适应支架 受力的变化。 5从支架移架时间和检修情况看，电液控制 系统适应性一般，有待进一步提高应用水平。 6实践过程中，两柱综放支架在遇到断层和 风化氧化区以及恶劣地质条件下的适应性较差。 综上所述，从两柱综放支架在平朔矿区应用情 况来看，虽暴露出一些应用不够成熟的方面，但对 平朔矿区地质条件下的总体适应性还是比较好的， 可以在类似条件下推广应用。 参考文献 ［ 1］黄尚智，樊运策．推进我国放顶煤液压支架改革的建议 ［ J］． 煤矿开采，2007，12 6 8 －13． ［ 2］王金华． 综放开采是解决厚煤层开采难题的有效途径 ［J］． 煤炭科学技术，2005，33 2 1 －6． ［ 3］王家臣．我国综放开采技术及其深层次发展问题的探讨 ［ J］． 煤炭科学技术，2005，33 1 14 －17． ［ 4］来存良．年产 600 万吨综放工作面开采技术与设备配套 ［ J］． 矿山压力与顶板管理，2003，20 S1 8 －11 ． ［ 5］王国法 . 两柱掩护式放顶煤液压支架设计研究 ［J］．煤炭 科学技术，2003，31 4 36 －37． ［ 6］王国法． 高端液压支架关键技术研究与产业化进展 ［J］． 煤炭科学技术，2011，39 4 78 －83． ［ 7］王国法 . “十二五”煤矿开采装备技术的发展展望 ［J］． 煤矿开采，2011，16 3 19 －24． ［ 8］任永强，于海湧，范志忠．两柱式放顶煤支架支撑效率分 析 ［ J］． 煤炭科学技术，2011，39 4 94 －96． ［ 9］范志忠，于雷，于海湧，等 . 大采高综放开采降低含矸 率途径分析 ［ J］ ． 中国煤炭，2011，37 2 59 －62． ［ 10］杨培举 . 两柱掩护式放顶煤支架与围岩关系及适应性研究 ［D］ ． 徐州中国矿业大学，200993 －107． ［ 11］杨培举，刘长友，韩纪志，等 . 平衡千斤顶对放顶煤两柱 掩护支架适应性的作用 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2007，24 3 278 －282． ［ 12］天地科技股份有限公司开采设计事业部 . 平朔矿区两柱掩 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