放頂煤支架選型及適用性研究

郭子程

(潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)，山西 長(zhǎng)治 046103)

放頂煤支架選型及適用性研究

郭子程

(潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)，山西 長(zhǎng)治 046103)

通過頂板結(jié)構(gòu)分析和斷裂角理論計(jì)算支架載荷,從而確定了架型。現(xiàn)場(chǎng)從支架的實(shí)測(cè)工作阻力、工作阻力頻率分布、左右立柱的受力情況研究支架的適用性。結(jié)果表明:從支架的實(shí)測(cè)工作阻力分析,97%的支架在正常開采過程和來壓期間工作阻力都在支架極限載荷以內(nèi);從工作阻力頻率分布分析,工作面支架壓力整體分布呈現(xiàn)正態(tài)分布,大部分支架發(fā)揮自身承載性能;從支架左右立柱受力分析,各支架左右柱受力比較均勻,平均比值為100.92%,說明支架受力均衡,總體上選型合理,適用性較好。

支架載荷；阻力頻率分布；立柱受力

綜采放頂煤采煤法作為厚煤層開采的主要方式,放頂煤支架的選型以及適用性顯得特別重要。我國學(xué)者做了大量的研究,宋選民[1]通過研究支架上方的塊體和掩護(hù)梁側(cè)的散體對(duì)支架的載荷作用,并考慮了煤層傾角的影響,推導(dǎo)支架的工作阻力公式;弓培林[2]運(yùn)用分形方法對(duì)放頂煤的煤體裂隙演化規(guī)律進(jìn)行了探討,根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的煤體裂隙經(jīng)歷的六個(gè)階段與現(xiàn)場(chǎng)放頂煤的過程進(jìn)行比較,判斷其冒落性;由于放頂煤的冒落與直接頂厚度和強(qiáng)度有關(guān),楊雙鎖[3]根據(jù)冒落的矸石對(duì)直接頂?shù)淖饔?分析對(duì)直接頂?shù)淖饔昧?郝萬東[4]通過對(duì)上覆巖層垮落后形成的五種頂板結(jié)構(gòu),推導(dǎo)了五種支架阻力模型;趙明[5]使用理論和數(shù)值模擬的手段計(jì)算了支架的工作阻力;張震[6]對(duì)目前使用的兩柱和四柱的放頂煤支架進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)測(cè)分析,得出兩柱式受力比較均衡,并且支架的受力點(diǎn)靠近煤壁,對(duì)治理煤壁的片幫具有重要作用;張忠溫[7]從結(jié)構(gòu)、載荷分布、電液系統(tǒng)和工況特征對(duì)平朔礦區(qū)的兩柱式放頂煤支架適用性進(jìn)行了研究;王國法[8]、徐亞軍[9]對(duì)支架和圍巖耦合關(guān)系進(jìn)行了研究,提出了強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性耦合關(guān)系,并考慮了動(dòng)載荷和靜載荷對(duì)支架的作用。

上述研究對(duì)支架的研究發(fā)展有重要作用,文章根據(jù)地質(zhì)情況,選取支架模型計(jì)算工作阻力,并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,判斷其適用性。

1 支架工作阻力計(jì)算

1.1 地質(zhì)條件

平朔19107工作面為9號(hào)煤工作面,上部14107工作面為采空區(qū),二者相距平均8.95 m,工作面長(zhǎng)度為297 m,埋深為310 m。9號(hào)煤平均厚度12.29 m,含夾矸2層-4層,夾矸為深灰-黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖,直接頂厚1.12 m,泥巖、炭質(zhì)泥巖、高嶺石泥巖互層,老頂厚平均7.83 m,泥巖與砂質(zhì)泥巖互層,深灰色,性脆,較硬。

1.2 工作阻力計(jì)算

1.2.1支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算

1)根據(jù)頂板的結(jié)構(gòu),經(jīng)過放煤后會(huì)產(chǎn)生冒落拱,支架主要承受直接頂和頂煤的載荷,并平衡動(dòng)載情況,則支架的載荷為:

q=kd(qd+qe)=kd(γdh+γeMe).

(1)

式中:q為支架載荷,MPa;kd為動(dòng)壓系數(shù),取值1.1～1.8;qd為直接頂載荷,MPa;qe為頂煤載荷,MPa;γd為直接頂?shù)娜葜?kg/m3;h為直接頂?shù)拿奥涓叨?m;γe為頂煤的容重,kg/m3;Me為支架上方的頂煤厚度,m。

(2)

式中:0.8表示放煤率為80%,M為煤層的厚度,m;Kp為碎漲系數(shù),取1.3。

根據(jù)公式,計(jì)算:

q=1.3[2.4×9.8×32.8+1.4×9.8×

(12.3-3.3)]=1.18 MPa.

為此,所采用的ZFY12000/23/40D系列兩柱式液壓支架,支護(hù)載荷為1.25 MPa ～1.27 MPa,滿足要求。

2)根據(jù)斷裂角確定放頂煤支架支護(hù)強(qiáng)度。

θ.

(3)

式中:L為控頂距的長(zhǎng)度,m;α為頂煤斷裂角,°;一般為70°～120°;θ為頂板斷裂角,°;一般為60°～65°。

計(jì)算原理與上文式(1)相同,只是h的計(jì)算方式不同,按公式(3)計(jì)算得:

m.

出于安全考慮,選擇支架強(qiáng)度較大的1.18MPa,計(jì)算支架阻力。

1.2.2支護(hù)阻力計(jì)算

P=q(LK+LD)B.

(4)

式中:P為支架工作阻力,kN;LK為控頂距,m;LD為端面距,m;B為支架的寬度,m。根據(jù)計(jì)算:

P=1.18×(0.343+5.1)×1.5=9 634 kN.

因此,選擇的ZFY12000/23/40D系列兩柱式滿足計(jì)算的要求。

2 支架適用性分析

支架的適用性主要反映支架的工作狀態(tài),通過支架的實(shí)測(cè)工作阻力、工作阻力頻率分布、左右立柱的受力情況等研究支架選型是否合理。

2.1 支架工作阻力分析

圖1為不同位置支架受力圖。

1-a 上端頭25號(hào)支架

1-b 中部65號(hào)支架

1-c 下端頭145號(hào)支架圖1 不同位置處支架受力圖Fig.1 Force diagram of support at the different position

從圖1可以看出:

1)97%的支架在正常開采過程和來壓期間工作面阻力都在12 000 kN以下,表明了支架選型的合理性。

2)從支架工作工作阻力的大小來看,整個(gè)工作面的壓力呈現(xiàn)不均勻分布,中部壓力較大,兩邊的壓力較小。這是由于在開采的過程中,頂板出現(xiàn)的“O-X”破斷,中部最先發(fā)生破裂,作為板結(jié)構(gòu),其下沉量最大。

3)支架的初撐力較高,很好的發(fā)揮了支架的主動(dòng)支護(hù)作用,對(duì)控制頂板和煤壁起到作用,支架的利用率較高。

2.2 支架工作阻力頻率分布分析

為了判斷支架能否滿足在正常開采時(shí)、受到來壓、頂板垮落沖擊時(shí)的支護(hù)要求,需要確定工作阻力的分布范圍和頻率。如果大多數(shù)的支架正常工作時(shí)達(dá)到自身額定載荷的60%～80%,說明很好的發(fā)揮了支架的支撐作用。圖2為支架工作阻力分布直方圖。

2-a 上端頭6-55號(hào)支架

2-b 中部65-115號(hào)支架

2-c 下端頭125-165號(hào)支架圖2 支架工作阻力分布直方圖(分組)Fig.2 Working resistance distribution of support in group

從圖2可以看出:

1)工作面壓力整體分布呈現(xiàn)正態(tài)分布,說明支架的選型比較合理。

2)從工作阻力的直方圖分布形態(tài)來看,6號(hào)、15號(hào)、25號(hào)、75號(hào)、125號(hào)、145號(hào)支架工作狀態(tài)正常;65號(hào)、85號(hào)、105號(hào)、135號(hào)、155號(hào)、165號(hào)支架長(zhǎng)時(shí)間處于低負(fù)荷狀態(tài),未完全發(fā)揮支架支撐力;35號(hào)、46號(hào)、55號(hào)、95號(hào)、115號(hào)支架長(zhǎng)時(shí)間處于高負(fù)荷狀態(tài),對(duì)支架和油缸的損害較大。

3)中部支架的正態(tài)分布峰值點(diǎn)比上端頭和下端頭靠后,說明中部支架載荷整體數(shù)值偏大,支架所承受的載荷較大。

2.3 支架左右立柱受力分析

19107綜放工作面采用的ZFY12000/23/40D兩柱式液壓支架,采用相同材料和直徑的立柱,每根立柱的額定工作阻力為6 000 kN,左柱和右柱都各自設(shè)置監(jiān)測(cè)通道,監(jiān)測(cè)支架立柱實(shí)時(shí)的受力狀態(tài),對(duì)各架的立柱循環(huán)末阻力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),進(jìn)而求平均值，圖3為支架立柱受力分析圖，表1為支架左右柱平均循環(huán)末阻力統(tǒng)計(jì)表。

3-a 上端頭25號(hào)支架

3-b 中部65號(hào)支架

3-c 下端頭145號(hào)支架圖3 支架立柱受力分析圖Fig.3 Force analysis of pillars of hydraulic support

支架阻力/MPa(阻力/額定阻力)/%(左柱/右柱)/%工作面上端工作面中部工作面下端6號(hào)25號(hào)46號(hào)65號(hào)95號(hào)115號(hào)125號(hào)145號(hào)165號(hào)左柱右柱左柱右柱左柱右柱左柱右柱左柱右柱左柱右柱左柱右柱左柱右柱左柱右柱19.3716.2421.3513.9525.7524.3720.8318.0922.8622.9229.3729.3217.9824.3919.0520.7611.4211.8940.6134.0544.7629.2553.9851.0943.6737.9247.9248.0561.5761.4737.6951.1339.9443.5223.9424.93119.23153.01105.69115.1599.73100.1673.7291.7596.00平均左柱20.9343.87右柱20.7443.47100.92

從圖3和表1可以看出:

1)各支架左右柱受力比較均勻,左柱受力大約20.93 kN,右柱大約20.74 kN,平均比值為100.92%。左柱受力與右柱受力的比值極小值,出現(xiàn)在125號(hào)支架,比例為73.72%,極大值出現(xiàn)在2號(hào)支架,比例為153.01%。

2)支架左柱受力總體大于右柱,這是由于開采的地質(zhì)條件所致,開采的煤層傾角約為5°,向左傾斜。

3 結(jié)論

以19107放頂煤工作面為例,通過頂板結(jié)構(gòu)分析理論和斷裂角理論確定了工作面支架載荷,并對(duì)適用性進(jìn)行了分析,得出:

1)從支架工作阻力分析,97%的支架在正常開采過程和來壓期間工作阻力都在12 000 kN以下,表明了支架選型的合理性。發(fā)現(xiàn)整個(gè)工作面的壓力呈現(xiàn)不均勻分布,中部壓力較大,兩邊的壓力較小。

2)從工作阻力頻率分布分析,工作面支架壓力整體分布呈現(xiàn)正態(tài)分布,說明支架的選型比較合理。中部支架的正態(tài)分布峰值點(diǎn)比上端頭和下端頭靠后,說明中部來壓強(qiáng)度較大。

3)從支架左右立柱受力分析,各支架左右柱受力比較均勻,左柱受力大約20.93 kN,右柱大約20.74 kN,平均比值為100.92%,說明支架受力均衡,很好的發(fā)揮了支撐性能。總體來講,支架選型較為合理,對(duì)此地質(zhì)條件適用性較好。

[1] 宋選民,顧鐵鳳.綜放采場(chǎng)放煤支架合理工作阻力的初步探討[J].中州煤炭,1992(5):18-21.

[2] 弓培林,靳鐘銘,魏錦平.放頂煤開采煤體裂隙演化規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),1999,30(2):119-123.

GONG Peilin,JIN Zhongming,WEI Jinping.The Experimental Study on the Cracks Evolution Regularties of Sub-level Caving Mining[J].Journal of Taiyuan University of Technology,1999, 30(2):119-123.

[3] 楊雙鎖,康立勛,錢鳴高.直接頂循環(huán)垮落高度對(duì)其第一分層穩(wěn)定性的影響[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),1999, 30(2):115-118.

YANG Shuangsuo,KANG Lixun,QIAN Minggao.Influence of Cycle Caved Height of Immediate Roof on Stability of Its First Layer[J].Journal of Taiyuan University of Technology,1999,30(2):115-118.

[4] 郝萬東, 康建兵.對(duì)綜放支架載荷計(jì)算力學(xué)模型的分析及應(yīng)用[J].煤炭工程, 2011(10):90-91.

[5] 趙明.麻家梁煤礦放頂煤工作面液壓支架選型[J].煤礦開采, 2011, 16(4):74-75.

ZHAO Ming.Lectotype of Powered Support for Full-mechanized Caving Mining Face in Majialiang Colliery[J].Coal Mining Technology,2011, 16(4):74-75.

[6] 張震,閆少宏,毛德兵,等.兩柱及四柱放頂煤支架適應(yīng)性對(duì)比分析[J].煤炭工程,2012(3):80-82.

ZHANG Zhen,YAN Shaohong,MAO Debing,etal.Analysis on Adaptability Comparison Between Two Leg and Four Leg Hydraulic Powered Caving Supports[J].Coal Engineering,2012(3):80-82.

[7] 張忠溫.平朔礦區(qū)兩柱掩護(hù)式放頂煤支架適應(yīng)性研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011, 39(11):31-35.

ZHANG Zhongwen.Study on Suitability of Hydraulic Powered Two Lag Shield Caving Support in Pingshuo Mining Area[J].Coal Science and Technology,2011,39(11):31-35.

[8] 王國法,龐義輝.液壓支架與圍巖耦合關(guān)系及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(1):30-34.

WANG Guofa,PANG Yihui.Relationship between Hydraulic Support and Surrounding Rock Coupling and Its Application[J].Journal of China Coal Society,2015,40(1):30-34.

[9] 徐亞軍,王國法, 任懷偉.液壓支架與圍巖剛度耦合理論與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(11):2528-2533.

XU Yajun,WANG Guofa,REN Huaiwei. Theory of the Coupling Relationship between Surrounding Rocks and Powered Support[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(11):2528-2533.

SelectionandApplicabilityofTop-coalHydraulicCavingSupport

GUOZicheng

(YuwuCoalCo.,Ltd.,Lu’anGroup,Changzhi,Changzhi046103,China)

By roof structure analysis and fracture angle theory, caving support load is calculated to determine the type of support. The applicability of the support is evaluated in terms of working resistance, resistance frequency distribution, and the force analysis of the left and right pillars on site. The results show that: the working resistance of 97% supports is within the limit load during normal mining and roof weighting; in terms of working resistance frequency, overall support pressure presents a normal distribution and most supports show the self-bearing function; the forces exerted on the left and right pillars of the support are balanced. Average ratio is 100.92%, which means balanced applied force, reasonable selection, and ideal applicability.

caving support load；resistance frequency distribution；pillar stress

1672-5050(2017)01-0059-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.02.018

2016-10-08

郭子程(1989-)，男，山西長(zhǎng)治人，大學(xué)本科，工程師，從事煤礦開采技術(shù)方面的研究。

TD355.4

A

(編輯:武曉平)