堅硬頂板條件下綜采面設(shè)備選型及液壓支架設(shè)計

李明忠

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013)

堅硬頂板條件下綜采面設(shè)備選型及液壓支架設(shè)計

李明忠

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013)

針對長治礦區(qū)中鼎礦15號煤層的地質(zhì)條件,綜合考慮煤層儲量、堅硬頂板條件、地質(zhì)儲量、供電條件、投資規(guī)模等問題,對該綜采工作面進行設(shè)備選型及液壓支架設(shè)計研究,并對支架的理論參數(shù)進行了計算,同時對支架的結(jié)構(gòu)特點進行了詳細的設(shè)計研究。

液壓支架;選型;設(shè)計

EquipmentsLectotype of Full2mechan izedM in ing Face and Powered SupportDesign under Hard Roof Condition

1 工作面煤層地質(zhì)情況與綜采可行性分析

山西長治礦區(qū)中鼎礦設(shè)計生產(chǎn)能力300kt/a。礦井開采15號煤層,煤層厚度4～5.2m,平均4.55m,煤層傾角一般8～9°,煤層結(jié)構(gòu)簡單,含1～2層炭質(zhì)泥巖夾矸,全井田穩(wěn)定可采;15號煤層直接頂缺失,煤層基本頂為石灰?guī)r,局部為泥巖、炭質(zhì)泥巖偽頂。底板為泥巖,局部為炭質(zhì)泥巖偽底,易發(fā)生底鼓現(xiàn)象;為低瓦斯礦井;煤塵有爆炸性;屬自燃煤層。

礦井現(xiàn)用刀柱式采煤方法,采出率較低,僅僅達到30%～40%,擬采用綜合機械化開采,以提高采出率。受供電影響,工作面設(shè)備總功率不超過1000kW,投資規(guī)模不宜太大。

2 工作面綜采設(shè)備選型

結(jié)合15號煤層地質(zhì)條件,以提高煤炭采出率為目的、保證綜采工作面的作業(yè)安全為原則,優(yōu)選工作面配套設(shè)備,使其符合工作面供電要求,采用一次采全高綜合機械化開采。

采煤機 15號煤層屬于中厚煤層,適宜的采煤機較多,但受礦井供電能力及投資規(guī)模限制,工作面不能采用大功率的采煤機,經(jīng)過比較各個采煤機的功率、采高,確定采用MG200/475-WD型采煤機,其改進后最大采高可達到4.1m,可以回采90%以上的煤層,與刀柱式采煤方法相比,采出率得到了顯著的提升。

刮板輸送機 工作面年產(chǎn)300kt,工作面長度120m,每天只需推進1.2m,即可滿足產(chǎn)量要求,工作面傾角8～9°,可選用SGZ730/264型刮板輸送機。

其他設(shè)備 轉(zhuǎn)載機:SZB730/75;破碎機: PCM90;乳化液泵站:BRW400/31.5;噴霧泵: BPW200/6.3。

根據(jù)以上選型,工作面所需設(shè)備總功率約為945kW,滿足礦方1000kW的要求。

3 綜采工作面液壓支架設(shè)計方案

3.1 煤層賦存特點及對支架的設(shè)計要求

(1)設(shè)計生產(chǎn)能力300kt/a,綜采面供電容量1000kW,且投資額度不宜過大,不適合大型綜采設(shè)備。

(2)堅硬頂板,支架應(yīng)保證有足夠大的支撐能力及切頂力,應(yīng)優(yōu)先選用四柱支撐掩護式支架。

(3)煤層基本頂為石灰?guī)r,完整性較好,沿頂板開采,采用整體頂梁,不帶側(cè)護板結(jié)構(gòu),既減輕了支架重量,又便于加工生產(chǎn)。

(4)工作面傾角為8～9°,且采高較大,支架預(yù)留防倒、防滑裝置連接耳座。

(5)底板易發(fā)生底鼓現(xiàn)象,支架需設(shè)置抬底機構(gòu)。

(6)15號煤層煤塵有爆炸性,要求支架配置噴霧降塵裝置。

3.2 液壓支架方案設(shè)計

3.2.1 支架高度確定

一般工作面支架高度的確定是根據(jù)煤層厚度,但該煤礦受礦井供電、投資規(guī)模限制,只能采用MG200/475-WD采煤機,改進后最大采高可達4.1m。因此,支架的最大結(jié)構(gòu)高度定為4.3m。

在堅硬頂板條件下,為減少掩護梁載荷,掩護梁應(yīng)盡量短。頂梁、底座柱窩處要求具有更高強度,通常在滿足配套及下井要求前提下,根據(jù)目前成熟架型,以及立柱的伸縮比,確定支架最小結(jié)構(gòu)高度為2.1m。

3.2.2 支護強度確定

根據(jù)15號煤層的地質(zhì)條件,確定液壓支架的額定支護強度下限為:式中,Qs為額定支護強度下限,MPa;hm為采高,取最大采高

將上述各參數(shù)代入上述公式計算得:

3.2.3 工作阻力確定

根據(jù)支架的支護強度及結(jié)構(gòu)參數(shù),可以確定支架的額定工作阻力,計算公式如下:

式中,B為支架中心距取,1.5m;L為支架頂梁長度,取3.5m;C為梁端距,取0.5m;η為支撐效率系數(shù),取0.9。

根據(jù)計算結(jié)果及我國行業(yè)標(biāo)準中工作阻力系列,綜合考慮初撐力和工作阻力的比值、立柱缸徑等因素,取額定工作阻力為5500kN。

根據(jù)以上分析計算,確定選用ZZ5500/21/43型支撐掩護式液壓支架,并對支架方案進行了詳細的設(shè)計(結(jié)構(gòu)如圖1),其主要技術(shù)參數(shù)如下:

4 支架設(shè)計的主要技術(shù)措施及支架結(jié)構(gòu)特點

(1)支架梁端曲線變化平穩(wěn),支架在從高到低的運動過程中,雙紐線呈前傾趨勢,以使頂板與頂梁間的摩擦力始終向后,可有效減少底座前端的比壓,有利于移架。

(2)前、后連桿均為分體雙連桿,增大了連桿的抗彎、抗扭能力,提高了支架的穩(wěn)定性。

圖1 ZZ5500/21/43型支撐掩護式液壓支架

(3)采用四柱支撐掩護式架型,后端切頂力最大可以達到4000kN,適應(yīng)于堅硬頂板的開采。

(4)支架在設(shè)計上通過增大掩護梁背角和減小掩護梁長度的方式,盡量減小掩護梁在水平方向上的投影,降低冒落頂板對掩護梁產(chǎn)生的沖擊。

(5)堅硬類頂板綜采工作面,周期來壓及初次來壓期間超前支承壓力較大,易造成嚴重的煤壁片幫及冒頂事故,而且支架采高較高,為此設(shè)置用四連桿機構(gòu)控制的可挑平護幫板,挑起力矩較大,有利于防止煤壁的片幫及頂梁前端頂板的維護。

(6)增強各承載部件的剛性,充分考慮到大塊冒落矸石對支架結(jié)構(gòu)件的影響,各部件鉸接部連接強度,如連接耳板的厚度、半徑比普通支架增加20%以上。

(7)立柱采用大流量安全閥控制,增強過載保護能力,提高立柱抗沖擊的能力。

(8)采用不帶配液板的液控單向閥,將立柱下腔出液口旋轉(zhuǎn)90°等辦法,在保證最低行人通道的前提下,盡量壓縮支架的縱向長度,以減輕支架重量,節(jié)約投資。

(9)采用整體頂梁不帶活動側(cè)護板形式,結(jié)構(gòu)簡單,性能可靠。

5 結(jié)束語

采用綜合機械化開采,可以改善工作面的安全條件,提高煤炭采出率。據(jù)初步估算,整個礦井約5Mt的儲量,可多采出煤炭約2Mt。工作面初期共需投資2440萬元,和刀柱式采煤法相比,一個工作面可以多產(chǎn)生效益764萬元。只需3個工作面即可完全收回投資。

通過以上分析,該礦15號煤層采用一次采全高綜采,在技術(shù)上是可行的,經(jīng)濟上是合理。而且該綜采工作面設(shè)備選型和液壓支架選型設(shè)計經(jīng)驗對于國內(nèi)類似地質(zhì)條件的礦井具有很好的借鑒意義。

[1]王國法,等.液壓支架技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社. 1999.

[2]MT312-2000液壓支架通用技術(shù)條件[S].北京:中國標(biāo)準出版社,2000.

[3]MT554-1996緩傾斜煤層工作面頂板分類附錄[S].北京:中國標(biāo)準出版社,1996.

[責(zé)任編輯:張銀亮]

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2010-04-26

李明忠(1978-),男,山東鄆城人,在讀博士,工程師,現(xiàn)從事液壓支架研究工作。