古城煤礦N1303工作面開采方式及液壓支架選型設(shè)計(jì)

許 秀

(山西潞安機(jī)械有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046204)

1 礦井條件及工作面概況

2 采煤方法選取

根據(jù)煤層厚度結(jié)合當(dāng)前成熟的采煤方法，可以選擇大采高一次采全高采煤法或者放頂煤采煤法，現(xiàn)主要從以下幾方面對(duì)兩種采煤方法進(jìn)行分析比較，擇優(yōu)選?。?/p>

1) 回采率。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，放頂煤工作面回采率平均為75%～90%，采用大采高一次采全高采煤法工作面回采率能達(dá)到95%，一次采全高采煤法有優(yōu)勢(shì)。

2) 安全生產(chǎn)工藝及管理。3號(hào)煤硬度較低，屬于較軟煤層，頂?shù)装鍙?qiáng)度也比較低，有利于頂煤垮落，對(duì)于放頂煤采煤法來說，煤層冒落性好是有利的；但對(duì)于大采高一次采全高采煤法來說，采高增加、煤層越軟，煤壁片幫冒頂概率增加，不利于支架對(duì)頂板的管理，放頂煤采煤法有優(yōu)勢(shì)。

3) 設(shè)備投資。大采高一次采全高采煤法由于采高大、支架支撐高度高、工作阻力大、重量大、相關(guān)配套設(shè)備功率大，造成工作面設(shè)備投資明顯高于放頂煤采煤法工作面，無(wú)形增加了礦井運(yùn)營(yíng)成本。

4) 放頂煤采煤法在潞安應(yīng)用多年，生產(chǎn)管理雖復(fù)雜但已熟練掌握；大采高一次采全高采煤法雖然工藝簡(jiǎn)單，但在潞安集團(tuán)應(yīng)用較少，古城礦井需對(duì)工人進(jìn)行專門培訓(xùn)，熟練掌握該工藝，礦井要達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能，所需時(shí)間較長(zhǎng)。因此古城煤礦選擇放頂煤采煤法進(jìn)行開采。

3 液壓支架支護(hù)強(qiáng)度確定

3.1 采用倍數(shù)巖重法計(jì)算

倍數(shù)巖重法計(jì)算公式[1]：

q=n×M×γ

式中：q為支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；M為工作面采高，取3.6 m；γ為巖石容重，取27 kN/m3；n為不同條件下的巖重倍數(shù)，一般取6～8。

經(jīng)計(jì)算：q=(538～778)kN/m2，考慮支護(hù)強(qiáng)度 1.2 倍富裕系數(shù)，支護(hù)強(qiáng)度確定為(0.64～0.93)MPa。

2.1.2 氧化還原電位 處理1、處理2的土壤表層溶液氧化還原電位均表現(xiàn)為前期快速下降，移栽后7 d分別下降至最低值-301 mV和-426 mV，之后開始上升，11 d后趨緩。說明，隨著秸稈覆蓋量的增加，土壤中還原性物質(zhì)隨之大幅度增加。

3.2 根據(jù)頂煤、直接頂頂板斷裂角確定放頂煤支架支護(hù)強(qiáng)度[2]

建立如圖1所示液壓支架工作狀態(tài)力學(xué)模型，以支架上方冒落帶重量并考慮頂板來壓時(shí)的動(dòng)載系數(shù)計(jì)算所得。

1) 頂板對(duì)支架施加的靜載荷:qj=γ1h1+γ2H，考慮頂板來壓時(shí)的動(dòng)載作用及支架的支護(hù)效率，支架的支護(hù)強(qiáng)度為qz，則：qz=k(γ1h1+γ2H)(qz為支架的動(dòng)載支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；qj為支架的靜載支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；γ1為頂煤容重，14 kN/m3；γ2為頂板巖石的容重，27 kN/m3；h1為放煤厚度,取最大值6.65 m；H為對(duì)支架有直接影響的巖層厚度，m；k為動(dòng)載備用系數(shù)，取1.1～1.4)。

2) 已知工作面采高3.6 m，放煤最大厚度6.65 m。計(jì)算影響支架載荷的上覆巖層厚度:H=(L+h1/tanα)tanθ(L為有效控頂距，選取5.9 m；α為頂煤斷裂角，選取70°；θ為頂板斷裂角，選取65°)。求得H=(5.9+6.65/tan70°)tan65°=17.43 m。

則支架所需動(dòng)載支護(hù)強(qiáng)度為：

qz=(1.1～1.4)(14×3.6+27×17.43) =(573～729) kN/m2=(0.57～0.73)MPa。

綜合上述兩種方法計(jì)算結(jié)果，支護(hù)強(qiáng)度不低于0.93 MPa，可以達(dá)到安全可靠的目的。

圖1 工作面液壓支架力學(xué)模型

4 液壓支架型號(hào)確定及三機(jī)配套

4.1 支架高度確定

由地質(zhì)資料知，3號(hào)煤層純煤厚度3.35～10.25 m，平均6.05 m。根據(jù)放頂煤合理的采放比例控制在1∶1～1∶3之間，以及采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)配套后兩機(jī)斷面機(jī)面高度1.9 m,選取支架最大采高M(jìn)max=3.6 m，最小采高M(jìn)min=2.8 m，液壓支架最大高度Hmax=Mmax+(200～600)；最小高度Hmin=Mmin-(500～800)。結(jié)合液壓支架高度參數(shù)優(yōu)選系列，選取液壓支架最大高度4.2 m，最小高度2.2 m。

4.2 支架中心距選取

液壓支架中心距對(duì)應(yīng)刮板輸送機(jī)一節(jié)溜槽長(zhǎng)度，常規(guī)配套1.5 m和1.75 m，本工作面優(yōu)選1.5 m中心距，因?yàn)檩^寬的支架中心距增加了支架重量，會(huì)增加運(yùn)輸系統(tǒng)成本，也容易損壞推移千斤頂。

4.3 支架工作阻力確定

1) 支架工作阻力值主要取決于支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)頂板的控頂面積S。選取S=L×B=5.9 m×1.5 m=8.85 m2，則支架工作阻力P=qz×S=930 kN/m2×8.85 m2=8 230 kN。

2) 根據(jù)放頂煤工作面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸公式計(jì)算液壓支架工作阻力：P=1 939+2.2H+471f+155/Md[3](P為支架工作阻力，f為煤層普氏系數(shù)，H為煤層埋藏深度，Md為放頂煤厚度)。經(jīng)計(jì)算：P=1 939+2.2×(460～580)+471×2.5+155/2.45=(4 192～4 456)kN，考慮支架動(dòng)載因素影響，取(4 192～4 456)×(1.1～1.4)=(4 611～6 238)kN。最終選取支架工作阻力為8 500 kN。

4.4 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合礦井罐籠下井尺寸、最大運(yùn)輸重量以及頂?shù)装宓刭|(zhì)條件，支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：①優(yōu)先支架整體下井，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在保證強(qiáng)度的前提下重量設(shè)計(jì)為28.5 t；②頂梁與掩護(hù)梁的鉸接處設(shè)置防漏煤裝置，掩護(hù)梁尾部帶尾梁插板低位放煤機(jī)構(gòu)；③頂梁前端采用鉸接式前梁帶三箱型結(jié)構(gòu)伸縮梁和鉸接小四連桿護(hù)幫板機(jī)構(gòu)，護(hù)幫板長(zhǎng)度1 200 mm，能翻轉(zhuǎn) 180°，可臨時(shí)支護(hù)頂板；④底座采用不封底結(jié)構(gòu)，前端采用弧形上翹結(jié)構(gòu)，減小拉架的阻力，后端增大與推移桿的空間，同時(shí)設(shè)計(jì)有抬底裝置、底調(diào)裝置，更好適應(yīng)工作面復(fù)雜環(huán)境。

最終選取液壓支架型號(hào)為ZF8500/22/42型支撐掩護(hù)式、正四連桿機(jī)構(gòu)、低位放頂煤液壓支架，中心距1.5 m，支護(hù)強(qiáng)度為1.08 MPa，底板比壓2.8 MPa，滿足礦井條件。

4.5 工作面設(shè)備型號(hào)及中部配套

為滿足礦井產(chǎn)能需求，優(yōu)先選用國(guó)內(nèi)成熟設(shè)備，以可靠性、適用性、先進(jìn)性為原則，工作面設(shè)備功率和強(qiáng)度都預(yù)留適當(dāng)富余系數(shù)。分別選取采煤機(jī)MG400/930-WD型，前、后部刮板輸送機(jī)SGZ1000/2×1 000型，并進(jìn)行工作面三機(jī)中部配套關(guān)系驗(yàn)證。

圖2 工作面中部三機(jī)配套(mm)

如圖2在最大采高3 600 mm，前、后刮板輸送機(jī)中心距設(shè)定為6 250 mm，尾梁插板放煤機(jī)構(gòu)處在比較合理的放煤位置，梁端距為478 mm，滿足割煤需求，前部刮板輸送機(jī)與液壓支架采用雙耳連接頭連接，后部刮板輸送機(jī)與支架采用單、雙耳鏈環(huán)卡連接，雙耳鏈環(huán)卡可以調(diào)整鏈環(huán)長(zhǎng)度，進(jìn)而調(diào)節(jié)刮板輸送機(jī)中心距。

5 結(jié) 語(yǔ)

ZF8500/22/42型液壓支架在工作面投入使用后，除個(gè)別拉后溜方軸發(fā)生斷裂問題外，未發(fā)生任何問題。已進(jìn)行多個(gè)工作面的開采，液壓支架與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)各設(shè)備之間互相適應(yīng)，動(dòng)作有序。應(yīng)用結(jié)果表明，該架型結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全、空間合理，能夠適應(yīng)古城煤礦井下支護(hù)，滿足高產(chǎn)高效使用需求。