王家塔煤礦大采高液壓支架合理工作阻力研究

王彪謀,周國(guó)際

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;2.新奧集團(tuán)王家塔煤礦,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000)

開采裝備

王家塔煤礦大采高液壓支架合理工作阻力研究

王彪謀1,周國(guó)際2

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;2.新奧集團(tuán)王家塔煤礦,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000)

回采工作面液壓支架支護(hù)強(qiáng)度的確定是液壓支架選型中的重點(diǎn)和難點(diǎn),支護(hù)強(qiáng)度確定后,根據(jù)液壓支架具體配套設(shè)計(jì)方案中的支護(hù)面積,可計(jì)算出支架工作阻力。對(duì)于新礦區(qū),支護(hù)強(qiáng)度的確定通常采用理論公式計(jì)算法、數(shù)值模擬法、類比法等多種方法進(jìn)行綜合論證,對(duì)于淺埋深特殊煤層還要考慮淺埋深相關(guān)因素的影響,要采取科學(xué)方法進(jìn)行選型和確定。

大采高;液壓支架;工作阻力;計(jì)算研究

兩柱掩護(hù)式大采高液壓支架以其良好的適應(yīng)性被國(guó)內(nèi)外廣泛使用,影響掩護(hù)式支架適應(yīng)性的主要因素是支護(hù)參數(shù)和結(jié)構(gòu),如初撐力、額定工作阻力和合理的結(jié)構(gòu)功能。支護(hù)強(qiáng)度的確定是液壓支架選型中的重點(diǎn)和難點(diǎn),支護(hù)強(qiáng)度確定后,根據(jù)液壓支架具體配套設(shè)計(jì)方案中的支護(hù)面積,可計(jì)算出支架工作阻力。以鄂爾多斯礦區(qū)王家塔煤礦大采高工作面液壓支架工作阻力的確定為例進(jìn)行分析研究。

1 煤層賦存條件

王家塔煤礦 3-1煤層一盤區(qū)可采范圍內(nèi)共有鉆孔 36個(gè),鉆孔煤厚 2.1～9.2m(含夾矸),平均5.05m,其中厚度大于 6.0m鉆孔共 6個(gè),全部集中在 G109高速公路北側(cè)初期開采的前 4個(gè)工作面的西部,面積約 1.3km2,其余區(qū)域煤層厚度 3.5～5.45m,平均 4.3m。

煤層頂?shù)装鍘r石主要為砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖,次為粗粒砂巖。根據(jù)鉆孔巖石物理、力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果,巖石的抗壓強(qiáng)度很低,大部分在30MPa以下,砂質(zhì)泥巖類吸水狀態(tài)抗壓強(qiáng)度明顯降低,多數(shù)巖石遇水后軟化變形,甚至崩解破壞,軟化系數(shù)絕大部分小于 0.75,均為軟化巖石,個(gè)別鈣質(zhì)填隙的砂巖或泥巖抗壓強(qiáng)度稍高,最高為57.7MPa。因此,煤層頂?shù)装鍘r石以軟弱巖石為主,半堅(jiān)硬巖石次之。

工作面主要技術(shù)參數(shù):采高 4.3～5.3m,工作面長(zhǎng)度 300m,總體配套能力為年產(chǎn) 5.0Mt。

2 支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算

支護(hù)強(qiáng)度確定的基本原則:使工作面巖層控制在達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的前提下,保證液壓支架工作的高可靠性和較高的適應(yīng)性。對(duì)于新礦區(qū)在沒有礦壓觀測(cè)資料的情況下,支護(hù)強(qiáng)度的確定通常采用理論公式計(jì)算法、數(shù)值模擬法、類比法等多種方法進(jìn)行綜合論證,對(duì)于淺埋深特殊煤層還要考慮淺埋深相關(guān)加權(quán)因素的影響。

2.1 按照采高法確定支護(hù)強(qiáng)度

式中,K1為作用于支架上的頂板巖石厚度系數(shù),一般取 6～8,大采高取 8;H為工作面采高,取5.3m;γ為巖石密度,取 2.5t/m3。

2.2 巖石密度法確定支護(hù)強(qiáng)度

支架支護(hù)強(qiáng)度確定以支撐支架上方冒落帶重量并考慮頂板來(lái)壓時(shí)的動(dòng)載系數(shù) ,計(jì)算公式:

式中,Kd為大采高動(dòng)載系數(shù),取 2;Kp為頂板巖石碎脹系數(shù),取 1.3。

2.3 主采煤層淺埋深因素的影響

埋深小于 150m的煤層可以分為 2種類型:

(1)基巖比較薄、松散載荷層厚度比較大的淺埋深煤層,其頂板破斷為整體切落形式,易于出現(xiàn)頂板臺(tái)階下沉,基本頂為單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的煤層,此類厚松散層淺埋深煤層稱為典型的淺埋深煤層。頂板巖層不存在“三帶”,基本為垮落帶和斷裂裂縫帶,來(lái)壓具有明顯的動(dòng)載現(xiàn)象。

(2)基巖厚度比較大、松散載荷層厚度比較小的淺埋深煤層,其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律介于普通工作面與淺埋深煤層工作面之間,表現(xiàn)為兩組關(guān)鍵層,存在輕微的臺(tái)階下沉現(xiàn)象,可稱為近淺埋深煤層。

總體上,淺埋深煤層工作面的主要礦壓特征是基本頂破斷運(yùn)動(dòng)直接波及地表,頂板不易形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),來(lái)壓存在明顯動(dòng)載現(xiàn)象,支架處于給定失穩(wěn)載荷狀態(tài)。

根據(jù)王家塔礦淺埋深煤層開采條件,運(yùn)用數(shù)值模擬的方法計(jì)算得出支架的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)不小于0.935MPa。

2.4 類比計(jì)算法

借鑒已開采工作面成功經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行類比研究液壓支架支護(hù)強(qiáng)度是非常重要的方法。王家塔礦煤層賦存條件與神東礦區(qū)、鄂爾多斯礦區(qū)類似,均屬于淺埋深煤層,但王家塔礦頂板相對(duì)較軟,隨采隨冒,礦壓顯現(xiàn)相對(duì)神東礦區(qū)工作面壓力較弱。

神東、鄂爾多斯礦區(qū)采高 5.5 m工作面使用的國(guó)內(nèi)外液壓支架主要特征及參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表 1、表 2。

表 1 國(guó)外 5m,5.5 m液壓支架主要技術(shù)特征

由表1、表2可以看出,5m和 5.5 m大采高掩護(hù)式液壓支架支護(hù)強(qiáng)度大多為 0.92～1.09MPa,工作阻力大多為 8640～9000kN。

表2 國(guó)產(chǎn) 5m,5.5m液壓支架主要技術(shù)特征

綜上所述,通過采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬、類比分析等多種方法進(jìn)行研究論證,考慮設(shè)備適用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)合理性等因素,綜合確定王家塔礦綜采區(qū)工作面液壓支架支護(hù)強(qiáng)度為 1.1MPa,可以滿足使用要求,同時(shí)在支架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu),提高其適應(yīng)性和可靠性。

3 支架工作阻力的確定

綜采區(qū)工作面支護(hù)強(qiáng)度確定以后,支架工作阻力主要取決于支護(hù)頂板的控頂面積。支架控頂面積主要與支架中心距和配套設(shè)備的斷面縱向尺寸有關(guān)。由于工作面“三機(jī)”配套設(shè)備的斷面縱向尺寸在采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)定型配套后才能準(zhǔn)確地確定,本計(jì)算暫參考已使用的、設(shè)備型號(hào)基本相同的機(jī)型配套斷面進(jìn)行。

額定工作阻力 F:

式中,P為綜采區(qū)工作面額定支護(hù)強(qiáng)度,P≥1.1MPa;L為支架中心距,取 1.75m;Bc為控頂距,取 4.7m;η為支撐效率,取 0.98。

對(duì)以上計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)字圓整,同時(shí)考慮立柱的合理缸徑和安全閥開啟壓力,確定額定工作阻力F=9300kN。為了進(jìn)一步提高支架的安全可靠性,最終確定支架工作阻力為 10800kN。

4 結(jié)論及建議

(1)在通常開采條件下,王家塔煤礦 5.5m液壓支架支護(hù)強(qiáng)度為 1.05～1.1MPa,工作阻力為9300kN,可滿足年產(chǎn) 5.0Mt的要求,考慮一定的富裕系數(shù),確定支架工作阻力為 10800kN。同時(shí)在支架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu),提高其結(jié)構(gòu)可靠性。

(2)應(yīng)盡量減小掩護(hù)梁長(zhǎng)度,增大掩護(hù)梁水平面夾角 (背角),減小掩護(hù)梁在水平線上的投影長(zhǎng)度,減小支架掩護(hù)梁所受沖擊載荷。

(3)由于淺埋深煤層頂板直接垮落具有較大的沖擊載荷,安全閥流量的選擇必須考慮立柱缸徑、沖擊載荷來(lái)壓強(qiáng)度。支架每根立柱應(yīng)至少設(shè)有1個(gè) 1000L/min大流量安全閥,以避免頂板沖擊壓力造成支架損壞。

(4)考慮沖擊載荷的影響,掩護(hù)梁要保證有足夠的強(qiáng)度,具有抗沖擊能力,關(guān)鍵部位應(yīng)比普通支架安全系數(shù)提高 1.2倍以上,同時(shí)要優(yōu)化設(shè)計(jì),減小應(yīng)力集中,提高焊縫設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

[1]王國(guó)法 .大采高技術(shù)與大采高液壓支架的開發(fā) [J].煤礦開采,2009(1):1-4.

[2]張銀亮 .國(guó)產(chǎn)大采高液壓支架的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) [J].煤礦開采,2008(6):1-3.

[3]王彪謀 .高端液壓支架研制與使用技術(shù)條件分析 [J].煤礦開采,2008(5):1-2.

[責(zé)任編輯:張銀亮]

Research on RationalW orking Resistance of Powered Support with LargeM in ing Height in W ongjiata Colliery

WANGBiao-mou1,ZHOU Guo-ji2

(1.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China; 2.Wangjiata Colliery,Xinao Group,Erdos 017000 China)

Supporting density deter mination is a main content and it is difficult in lectotype of powered support.After deter mining supporting density,we can calculateworking resistance ofpowered support according to supporting square.For a new mining area,it isoften determined comprehensively by theoretical formula,numerical simulation and analogy.For the special coal seam with shallow buried depth,other factors related to shallow buried depth must be considered and apply scientific method.

large mining height;powered support;working resistance;calculation research

TD355.4

A

1006-6225(2010)05-0064-02

2010-04-14

王彪謀 (1963-),男,甘肅民勤人,研究員,從事綜采工作面總體配套和液壓支架設(shè)計(jì),現(xiàn)任開采裝備技術(shù)研究所副所長(zhǎng)。