千米深井復(fù)雜運輸條件特厚煤層綜放支架設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化

張金虎

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

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千米深井復(fù)雜運輸條件特厚煤層綜放支架設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化

張金虎

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

[摘要]為滿足3號特厚煤層千米以上埋深、頂板控制要求和復(fù)雜運輸條件，對不同采煤方法適應(yīng)性和支架參數(shù)進行研究。研究結(jié)果表明：特厚煤層綜放開采在回采率、成本控制、安全保障和設(shè)備配套等方面較分層和大采高綜采具有較大優(yōu)勢，千米埋深特厚煤層所需支護強度為1.3~1.4MPa，支架設(shè)計φ300/220mm較大缸徑立柱和1500mm較小中心距解決罐籠小尺寸運輸和強力支護重型大設(shè)備之間的矛盾，采用鉸接頂梁加強架前支護和方便運輸，優(yōu)化立柱布置保證足夠的行人和操作空間，設(shè)置防倒防滑、雙側(cè)活動側(cè)護板和抬底機構(gòu)增強對較大傾角和較軟底板的適應(yīng)性。

[關(guān)鍵詞]千米深井；復(fù)雜運輸條件；特厚煤層；綜放開采；液壓支架

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.008

[引用格式]張金虎.千米深井復(fù)雜運輸條件特厚煤層綜放支架設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化[J].煤礦開采，2015，20(5)：30-33.

綜放開采作為厚及特厚煤層的高效開采方法自1982年引進我國后，先后經(jīng)歷了1982-1990年的探索、1990-1995年的成熟完善和1995-2005年的推廣應(yīng)用等階段。自2005年至今，綜放開采進入了革新階段，2014年中國煤炭科工集團牽頭完成的“特厚煤層大采高綜放開采關(guān)鍵技術(shù)及裝備”解決了14～20m特厚煤層開采世界性難題并獲得國家科技進步一等獎[1-4]。

目前我國許多礦區(qū)如巨野、淮南、濟寧、新汶等地的厚及特厚煤層開采深度已超過1000m。受限于開采深度井田開拓方式，一般選用立井開拓和罐籠運輸，強力液壓支架造成其尺寸及重量大幅度增加，無法滿足立井罐籠運輸條件，而低支護強度液壓支架又無法滿足對深部開采高地壓、大變形的支護需要，造成部分工作面屢有大面積壓架事故發(fā)生[5-9]。

本文以千米深井復(fù)雜運輸條件特厚煤層為研究背景，以現(xiàn)場實測和理論研究為手段，確定支護參數(shù)并優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)，使支架滿足頂板支護需要和礦井運輸要求，為類似礦井支架設(shè)計提供參考。

1工程背景

1.1　煤層賦存條件

5301工作面設(shè)計開采3號煤，煤層厚度8.9~9.9m，平均9.4m，煤層傾角變化較大，一般在5~30°之間，煤層埋深約965~1258m，屬于典型的千米深井緩傾斜~傾斜特厚煤層。煤層頂板以泥巖、粉砂巖為主，局部為中、細砂巖頂板，厚0.6~19.2m。頂板砂巖節(jié)理裂隙發(fā)育，頂板砂巖抗壓強度一般為30~50MPa，泥巖的抗壓強度平均5.6MPa。煤層底板以泥巖為主，粉砂巖為輔，厚0.6~12.1m，偶見炭質(zhì)泥巖偽底(厚0.2~0.4m)，富水性弱；巖石抗壓強度一般為30~40MPa。

1.2　運輸條件及支架設(shè)計原則

礦井采用立井開拓，支架下井通過副立井罐籠提升，罐籠尺寸5000mm×1670mm×2400mm(長×寬×高)，最大提升重量26t。礦井運輸環(huán)節(jié)復(fù)雜，需通過3個水平、3條暗斜井，運輸條件的復(fù)雜性要求必須降低支架重量和減少升井大修，確保支架使用壽命并能滿足頂板支護需要。

1.3　采煤方法

根據(jù)國內(nèi)外厚及特厚煤層開采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，其開采方法目前主要有分層開采、大采高綜采和綜放開采3種[1,10-11]。

分層開采可行性分層開采巷道掘進率高，掘進與維護費用高；開采上分層時要鋪設(shè)人工假頂，大幅增加材料成本和工人體力勞動，且暴露的下分層煤容易自然發(fā)火；開采下分層時，留頂煤造成割煤高度降低，資源浪費，不留頂煤頂板不容易維護，煤塊含矸率高。3號煤埋藏較深且具有沖擊傾向，采用分層開采時上分層容易發(fā)生沖擊災(zāi)害事故。故不宜采用分層開采。

大采高綜采可行性大采高綜采的最大特點是煤炭資源采出率較高，就目前綜采技術(shù)及裝備現(xiàn)狀來說，一次最大開采高度可達7m，對應(yīng)液壓支架的工作阻力應(yīng)不小于17000kN，支架寬度2.05m，整架重量在70t左右，支架的下井尺寸和運輸重量都超過現(xiàn)有井型設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，支架搬運難度很大。3號煤平均厚度9.3m，若采用7m大采高綜采，加上煤柱損失不能滿足《生產(chǎn)煤礦回采率管理暫行規(guī)定》中煤厚≥3.5m，采區(qū)回采率≥75%的規(guī)定，故不采用大采高綜采。

綜放開采可行性綜放開采較一次采全高綜采可大幅降低割煤高度和支架高度，支架上方松軟頂煤的存在有利于集中應(yīng)力的釋放和轉(zhuǎn)移，可有效防止沖擊地壓的發(fā)生；另外臨近礦井生產(chǎn)實踐表明3號煤頂煤冒放性較好，綜合考慮認為，采用綜放開采較為合理。

2特厚煤層綜放工作面支護參數(shù)確定及優(yōu)化

2.1　支護強度的確定

2.1.1基于頂板結(jié)構(gòu)和實測估算

綜放工作面支架工作阻力主要來自直接頂、頂煤的載荷和基本頂失穩(wěn)時的動載[13-15]，即：

P=Kd(qd+qc)

qd=γd·h

qc=γc·Mc

支護強度計算可得：P=1.04~1.38MPa，即工作面支架強度應(yīng)在1.04～1.38MPa之間。

2.1.2基于工作阻力與頂板下沉量數(shù)值模擬

研究表明[12]，支架工作阻力與頂板下沉量呈現(xiàn)類雙曲線的關(guān)系，采用數(shù)值模擬軟件對不同支護強度時頂板下沉量進行分析，得到二者關(guān)系曲線如圖1所示。當(dāng)支護強度為1.3~1.4MPa時頂板下沉量隨支護強度的增加其變化量明顯降低，且頂板下沉量約為80mm時支架能有效實現(xiàn)對頂板的控制，由此確定支架支護強度應(yīng)為1.3~1.4MPa。

圖1　支護強度與頂板下沉量關(guān)系曲線

鄰近礦井生產(chǎn)實踐結(jié)果表明，當(dāng)支護強度小于1.2MPa時曾多次發(fā)生大面積壓垮支架的現(xiàn)象，而支護強度提高10%后控頂效果明顯改善，這與上述計算結(jié)果相吻合。綜上所述，建議支護強度應(yīng)在1.3~1.4MPa之間。

額定工作阻力F可按下式進行計算：

F≥PBcL

式中，P為額定支護強度，取1.4MPa；Bc為控頂距，分別取5.6m，5.9m。L為支架中心距，分別取1500mm，1750mm。

當(dāng)支架中心距為1500mm時，F(xiàn)≥11760kN；支架中心距為1750mm時，F(xiàn)≥14455kN?？紤]立柱缸徑系列化和支護效率，支架中心距為1500mm和1750mm時工作阻力分別為12000kN和16000kN。

2.2　支架高度

支架最大高度Hmax=Mmax+S，Mmax為工作面最大采高，取3500mm；S為偽頂初次垮落時最大厚度，取200~300mm，得Hmax=3800mm。

支架最小高度主要考慮運輸過程中罐籠、巷道高度的限制和立柱伸縮比要求，運輸巷尺寸為5000mm×3800mm(寬×高)，罐籠尺寸為5000mm×1670mm×2400mm(長×寬×高)，考慮平板車高度300~400mm，易知Hmin=2000mm。

2.3　支架中心距

一般對于工作阻力超過10000kN的四柱支撐掩護式放頂煤液壓支架，為降低底板比壓、保證較大行人操作空間，支架中心距一般選擇1750mm，但支架中心距的增加帶來的問題是支架重量及尺寸隨之增加。當(dāng)支架中心距為1750mm時，根據(jù)上述計算，應(yīng)選擇型號為ZF16000/20/38支架，支架重量約46t。支架即使解體重量或尺寸仍無法滿足下井要求，如去掉立柱、前梁、伸縮梁、護幫板、尾梁、插板，重量約30t，外形尺寸約為5000mm×1660mm×1700mm(長×寬×高)；頂梁長度約6320mm，大于罐籠允許最大下井尺寸。圖2為中心距1750mm時ZF16000/20/38支架解體示意圖。

圖2　ZF16000/20/38(中心距1750mm)支架解體示意

受限于礦井運輸條件，支架中心距定為1500mm，支架型號為ZF12000/20/38，支架總重35t左右。根據(jù)拆除不同結(jié)構(gòu)件有2種運輸方案，如圖3所示。方案一為去掉頂梁和尾梁，方案二為去掉頂梁和立柱，將插板和千斤頂收回進行運輸?？紤]運輸方便，采用方案一對支架進行解體下井。

圖3　ZF12000/20/38支架運輸狀態(tài)

2.4　支架主要結(jié)構(gòu)型式

(1)鉸接頂梁考慮運輸要求，支架選用鉸接頂梁形式。運輸時將前梁向下轉(zhuǎn)動90°，減小支架縱向長度尺寸，支架整體運輸尺寸小，頂梁結(jié)構(gòu)型式如圖4所示。

圖4　鉸接頂梁結(jié)構(gòu)

(2)護幫范圍根據(jù)壓桿理論[16-17]分析，在頂板壓力作用下，煤壁在距底板0.65倍采高處側(cè)向位移最大，即支架護幫機構(gòu)高度尺寸不小于采高的0.35。采高3.5m時煤壁最大水平位移的區(qū)域為距頂板1.2m左右的位置，設(shè)計護幫板最大防護高度為1121.7mm(圖5)，護幫千斤頂采用φ100/70mm千斤頂，護幫力為247kN。

圖5　護幫板結(jié)構(gòu)形式及尺寸

(3)降低底板比壓為滿足礦井運輸條件，支架中心距采用1500mm，減小了底座面積，不利于防止支架鉆底。通過調(diào)整、優(yōu)化合力作用點位置，實現(xiàn)底座前端比壓為1.8～2.6MPa(f=0.2)。同時為增強對較軟底板的適應(yīng)性，加快移架速度，支架設(shè)置φ125/90mm抬底千斤頂。

(4)行人空間通過優(yōu)化立柱布置及結(jié)構(gòu)安排，實現(xiàn)支架前后立柱間、左右立柱間和相鄰支架間尺寸分別為702mm，454mm和344mm。

2.5　傾角較大工作面支架穩(wěn)定性控制

為加強支架對傾角較大地段煤層適應(yīng)性，對支架參數(shù)及結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，主要采取以下措施保證支架穩(wěn)定性：

(1)合理地提高初撐力和工作阻力支架只有“支的牢”才能“穩(wěn)得住”。選擇φ300/220mm較大缸徑立柱，使支架額定工作阻力可達到12000kN，支架初撐力可達8904kN，約為額定工作阻力的75%，可有效保證對頂板的主動支撐。

(2)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，降低支架重量支架重量降低有利于穩(wěn)定性提高，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，支架重量約35t，進一步提高穩(wěn)定性，同時亦有利于支架在工作面的調(diào)整和搬家。

(3)側(cè)護板設(shè)計為雙側(cè)活動使用中需將一側(cè)固定，一側(cè)活動，有利于根據(jù)工作面的傾角的方向來調(diào)整活動側(cè)護板的方向。

(4)為防止支架下滑，調(diào)節(jié)架間距采用φ125/85mm底調(diào)千斤頂實現(xiàn)調(diào)架功能，該結(jié)構(gòu)調(diào)架容易，操作簡單。

3結(jié)論

(1)對5301工作面特厚煤層而言，綜放開采在回采率、成本控制、安全保障和設(shè)備配套等方面較分層和大采高綜采具有較大優(yōu)勢，確定采用綜采放頂煤采煤方法。

(2)在滿足頂板控制和立井罐籠運輸條件的基礎(chǔ)上，確定工作面支護強度為1.3~1.4MPa，支架高度為2.0~3.8m，支架為ZF12000/20/38四柱支撐掩護式放頂煤液壓支架。

(3)支架采用鉸接頂梁結(jié)構(gòu)滿足下井運輸尺寸要求，設(shè)計雙側(cè)活動側(cè)護板、底調(diào)千斤頂?shù)燃訌妼γ簩觾A角的適應(yīng)性；采用較大缸徑立柱，加大工作阻力和初撐力滿足頂板控制要求。

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[責(zé)任編輯：徐亞軍]

Design and Parameters Optimization of Full-mechanized Top-coal Caving Powered Support for Extremely-thick Coal-seam under Complex Transportation Condition in 1000m Deep Mine

ZHANG Jin-hu

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.,Beijing 100013，China)

Abstract：In order to meet 1000m deep depth，roof controlling requirement and complex transportation condition of No.3 extremely-thick coalseam，adaptability of different mining methods and powered support's parameters were researched. Results showed that full-mechanized top-coal caving mining had larger advantage in mining ratio，cost control，safety assurance and equipments matching，compared with slicing mining and large-mining-height full-mechanized mining method. For extremely-thick coalseam in 1000m deep mine，1.3-1.4MPa supporting intensity，300/220 cylinder diameter and 1500mm center distance was designed to solve the conflict of small size cage and large equipment. Articulated roof beam was applied to strengthening supporting and facilitating transportation. Prop arrangement was optimized to ensure enough pedestrian and operation space. Anti-slide and anti-dumping structure，side-guard plate and bottom-lift device was designed to strengthen adaptability for large inclined angle and soft floor.

Keywords：1000m deep mine；complex transportation condition；extremely-thick coalseam；full-mechanized top-coal caving mining；powered support

[作者簡介]張金虎(1986-)，男，山東德州人，助理研究員，主要從事支架圍巖關(guān)系及設(shè)備選型配套研究工作。

[基金項目]國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973) 資助項目(2014CB046302)

[收稿日期]2015-03-19

[中圖分類號]TD355.41

[文獻標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0030-04