涼水井煤礦液壓支架選型

馬 俊

(陜西神木匯森涼水井礦業(yè)有限責任公司,陜西神木 719319)

涼水井煤礦液壓支架選型

馬 俊

(陜西神木匯森涼水井礦業(yè)有限責任公司,陜西神木 719319)

根據(jù)涼水井煤礦地質(zhì)條件,通過對液壓支架選型中幾個重要參數(shù):支架高度、初撐力和工作阻力加以分析,對該礦綜采工作面所需參數(shù)提出了建議。

液壓支架;選型;參數(shù)

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涼水井煤礦井田東西寬 5～10km,南北長 4.3～10.8km。首采區(qū)位于井田的東南部,首采工作面 42101和第 2個工作面 42102均布置在首采區(qū),為相鄰的兩區(qū)段。據(jù)勘探和地質(zhì)分析可知:煤層厚度由東向西逐漸變薄,地層傾角平緩,傾角不足1°,無構(gòu)造異常和巖漿活動。南部地形較低,高程1235m左右,北部地面標高 1255m左右,相對高差 20m。該區(qū)多年平均降水量為 435.70mm,并多以暴雨形式集中于 7～9月,砂地降水入滲系數(shù)可達 0.3～0.6,具有較好降水匯水條件,降水垂向滲透補給強度較大,最終形成風化巖裂隙水。瓦斯分帶屬 CO2-N2,無瓦斯危險,無地熱危害。

1 液壓支架選型參數(shù)確定

液壓支架選型主要的參數(shù)包括:支架高度、初撐力和合理的工作阻力。

1.1 液壓支架高度

液壓支架的高度必須適應工作面推進方向上煤層厚度的變化。

式中,Hmax,Hmin為支架的最大和最小高度,m;Mmax,Mmin為煤層的最大和最小厚度,m;S1為在最大采高時,支架高度留有的富余量,一般取 0.1～0.3m;S2為在最小采高時,頂板可能的下沉量,一般取 0.3～0.4m;a為立柱的卸載高度,一般取50～100mm。

根據(jù)地質(zhì)資料和實測可知,煤層的厚度變化范圍是 2.65～3.65m,經(jīng)實測,采煤高度為 2.70～3.20m,則要求支架的高度范圍為 2.2～3.5m。

1.2 初撐力

初撐力是液壓支架的一個重要參數(shù),我國液壓支架的初撐力一般為額定阻力的 60%～80%,提高支架的初撐力可以減少直接頂?shù)碾x層,增加頂板穩(wěn)定性,可以提高支架對巷道頂板的支撐能力,減少工作面頂板破碎度及煤壁片幫,可壓實頂梁上和底座下的浮矸,提高支撐系統(tǒng)的剛度,可以充分利用支架額定支撐能力,減少頂?shù)装宓南鄬σ平俊?/p>

實測表明,隨著初撐力與額定工作阻力比值的增加,實測支架平時工作阻力按指數(shù)曲線增長,其回歸方程及曲線方程如下:

式中,Pt為支架平均工作阻力,A,B為常數(shù),但隨地質(zhì)技術(shù)條件而變化,ξ為系數(shù)。

設 P0為支架的初撐力,PH為支架的額定阻力,研究表明,隨著支架 P0/PH比值的增加,Pt值也增加,但當 P0/PH值達到 60%～80%以后,Pt曲線斜率逐漸減少,因此,為了使支架發(fā)揮較高的支撐水平,又考慮到立柱安全閥開啟壓力會出現(xiàn)低于額定開啟壓力 10%的工況,故 P0/PH取70%～90%合適,對于涼水井煤礦地質(zhì)條件而言,工作面上方頂板屬于中等穩(wěn)定頂板,因此宜選 P0/PH為 75%～85%合適。

1.3 工作阻力

確定支架合理工作阻力的方法采用 2種:實測統(tǒng)計法和理論分析法。為了選擇合理的支架類型,決定采用這 2種方法對支架的阻力分析,綜合取最大者為支架阻力的參考值。

1.3.1 實測統(tǒng)計法

支架在工作面支設時工作面阻力隨著時間 t變化曲線為支架運行特性,一般呈現(xiàn)為初撐增阻ΔP1,相對平衡和移架前增阻ΔP2這 3個階段,增阻值ΔP=ΔP1+ΔP2。

支架的最大阻力 Pm=P0+ΔP。

大量統(tǒng)計資料表明:當支架初撐力低于支架-圍巖相對平衡阻力時,同一循環(huán)的支架時間加權(quán)平均工作阻力 Pt與相對平衡階段的工作阻力相近。

支架的時間加權(quán)平均工作阻力在每個循環(huán)是不一樣的,據(jù)統(tǒng)計,其服從正態(tài)分布,故支架合理的工作阻力可用下式表示:

式中,σ^為標準方差,kN;K為置信度系數(shù)。

若以支架每個循環(huán)最大工作阻力的平均值 Pm作為統(tǒng)計值,則 K取 1～1.3,則支架的合理工作阻力為:

當工作面周期來壓時,應按周期來壓間統(tǒng)計的支架阻力來確定合理工作阻力。由鄰近礦資料可知周期來壓期間支架的最大工作阻力平均值為7452.38kN,標準方差σ^為 134.26kN,則最終支架的支護阻力為:

1.3.2 理論分析法

確定合理的支護阻力,首先必須根據(jù)頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究支架與圍巖的相互作用關(guān)系,以便確定最危險狀態(tài)下的頂板壓力。

淺埋煤層采場周期來壓時,頂板主要有“短砌體梁”和 “臺階巖梁”2種結(jié)構(gòu)形狀,這 2種結(jié)構(gòu)都屬于滑落失穩(wěn)類型,支架主要承受結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形成的壓力,最危險狀態(tài)的載荷可以說是 “給定”的,支架工作處于 “給定失穩(wěn)載荷”狀態(tài),必須提供必要的支護力才能維持頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,即由支架和頂板結(jié)構(gòu)共同作用來平衡頂板的滑落失穩(wěn)力,維持頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。雖然淺埋煤層工作面支架處于“給定失穩(wěn)載荷”狀態(tài),但控制頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定所需的支護阻力不是恒定值,而是隨巖塊的回轉(zhuǎn)運動而變化,此外關(guān)鍵塊上的載荷層也不是上方巖柱的靜態(tài)重量,存在載荷傳遞效應。

首先以 “短砌體梁”結(jié)構(gòu)為例,說明支護阻力的確定方法。淺埋煤層工作面周期來壓時頂板最危險的狀態(tài)如圖 1所示。

工作面支架的支護阻力 Pm由直接頂巖柱重量和基本頂滑落失穩(wěn)所傳遞的壓力 RD組成:

圖 1 “短砌體梁”結(jié)構(gòu)的 “支架 -圍巖”關(guān)系

基本頂結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)作用于支架的壓力為:

其中

式中,R為短砌體梁滑落失穩(wěn)的支護力,將其代入式 (7):

周期來壓期間基本頂關(guān)鍵塊上載荷層的計算仍然借鑒太沙基巖土壓力計算原理,頂板載荷 P1的構(gòu)成如圖 2所示。

圖 2 頂板載荷

基本頂關(guān)鍵塊上的載荷層處于采場上覆巖層的離層區(qū),該區(qū)的載荷層處于非壓實狀態(tài),表明淺埋煤層工作面關(guān)鍵塊上的載荷也不是載荷層的全部重量,存在載荷傳遞效應,載荷傳遞系數(shù) KG可以表示為:KG=KrKt,其中 Kr為載荷傳遞巖性因子,Kt為載荷傳遞的時間因子。

由圖 2可知,基本頂關(guān)鍵塊的載荷 Pl由基本頂關(guān)鍵層重量 PG和載荷層傳遞的重量 PZ組成。

式中,h為基本頂關(guān)鍵層厚度;l為關(guān)鍵塊長度(周期來壓步距或者初次來壓步距);γ為基巖體積力;h1為載荷層厚度;γ1為載荷平均體積力;KG為載荷傳遞系數(shù)。

由于載荷層厚度大,仍然按太沙基土壓力計算原理近似估算載荷傳遞系數(shù),作用于基本頂巖塊的載荷為:

由于 KG=KrKt,聯(lián)立式 (12)和 (13)可得來壓時載荷傳遞系數(shù):

此時可得周期來壓時的載荷傳遞巖性因子為:

式中,φ為載荷層的內(nèi)摩擦角;λ為載荷層側(cè)應力系數(shù)。由式 (10)、(11)、 (12)可得作用于關(guān)鍵塊的載荷為:

由式 (6)、 (9)可得,控制頂板所需的支護阻力為:

按與“短砌體梁”結(jié)構(gòu)支護阻力計算相同的方法,可以求得“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)條件下控制頂板所需的支護阻力為:

考慮支架支護效率,工作面支架工作阻力為:

其中,μ為支架的支護效率。

根據(jù)工作面的相關(guān)資料可知:工作面周期來壓步距為 12.7～17.2m,平均為 15.5m;初次來壓步距約為 50.75m?；卷旉P(guān)鍵層厚度為 h=14m,基巖體積力γ =24kN/m3,荷載層平均厚度為 h1=3.5m,荷載層平均體積力γ1=18kN/m3,直接頂厚度為 0.5m,采高 2.65～3.65m,平均為 3.1m,載荷層厚度為 80m,支護效率μ =0.9,控頂距為6m。

1.3.3 確定控制頂板所需要的支架阻力

(1)按“短砌體梁”結(jié)構(gòu)進行計算

當 l1=12.7m時,

根據(jù)涼水井煤礦載荷層條件,取得 KG=0.25,將相關(guān)參數(shù)代入計算公式可得控制頂板在周期來壓期間所需要的支架工作阻力:

當 l1=12.7m時,PG≥4982.64kN

當 l2=17.2m時,PG≥2375.34kN

(2)按“臺階巖梁”進行計算:

一般條件下,淺埋煤層頂板結(jié)構(gòu)中,θmax為 8～12°,θ1為 4～6°; θmax為 12°時 , 將參數(shù)代入 “臺階巖梁”計算支架阻力公式可得:

當 l1=12.7m時,PG≥6781.65kN

當 l2=17.2m時,PG≥8111.28kN

綜合這 3種方法來說,支架的支護阻力 PG≥8111.28kN。

2 工作面支架選型建議

根據(jù)對工作面支架高度、初撐力和工作阻力的分析,建議采用支架的參數(shù)如表 1所示。

表1 工作面支架參數(shù)

3 建議和措施

(1)支架立柱初撐力達到額定工作阻力 80%的支架應占總數(shù)的 60%以上。

(2)無頂梁臺階控制在 200mm內(nèi),頂梁接頂要好,端面距控制在 1000mm內(nèi),梁端距控制在600mm內(nèi);支架頂梁仰俯角控制在 9°內(nèi);片幫冒頂?shù)囟渭訌姽芾怼?/p>

(3)推進應保持合理速度,不要太慢,推進速度應≥8m/d。

(4)壓力表數(shù)據(jù)采集 3次/d,生產(chǎn)班應在升柱之后讀取壓力表數(shù)據(jù),檢修班讀數(shù)時間應固定下來;支架立柱活柱伸縮量觀測,應在升柱 2h后進行讀數(shù)。

(5)對于堅硬難垮落頂板,可采用放炮或高壓預注水工藝和方法進行處理。由于工作面設計長度為 200m,注水孔應采用雙向布置方式;為了保證鉆孔的滲水部分處于難垮落的堅硬巖層中以及頂板有足夠垮落高度,孔底高度一般應為 6～10倍采高;孔深 ≤120m,仰角 ≥10°;孔間距為 30～40m;封孔終端距直接頂 2～3m以上;注水量300m3左右;注水壓力應根據(jù)注孔長度和流量計算確定;注水超前開采時間為 6～9d;注水鉆孔選用YZ-90鉆機或 FRA鉆機,日進控制在 30～40m;封孔可采用砂漿封孔或橡膠封孔器。

(6)及時處理支架上方的破碎頂板,尤其在周期來壓之前,保持支架整體支護的平衡。

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TD355.42

B

1006-6225(2010)04-0085-03

2009-08-11

馬 俊 (1973-),男,陜西富平人,助理工程師,現(xiàn)就讀工程碩士。

[責任編輯:王興庫]