煤礦大采高工作面液壓支架選型分析

姚一龍，鐘祥熙，高小虎

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

大采高是礦井厚煤層開采應(yīng)用最為廣泛的方式，由于采煤方法的不同，支架的選取也不同，進(jìn)而影響采煤工作面的生產(chǎn)環(huán)境。尤其是深部開采的大采高工作面，良好的支架性能是安全生產(chǎn)的重中之重。我國大采高大約20世紀(jì)90年代在寧東礦區(qū)、神華集團(tuán)神東分公司等礦區(qū)試驗(yàn)應(yīng)用[1]，并取得良好的效果。

我國大采高綜采技術(shù)與裝備的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢表明，一次采全高液壓支架具有無可替代的優(yōu)勢，也是未來厚煤層開采的必然趨勢[2]。近年來，大采高工作面頂板斷裂關(guān)鍵塊的穩(wěn)定性[3]、采煤工作面覆巖結(jié)構(gòu)特征、運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究[4-6]、工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[7-8]等得到了長足的發(fā)展。大采高工作面與支架組成了“頂-支-底”的動(dòng)態(tài)控架結(jié)構(gòu)，支架的工作狀態(tài)及承載性為動(dòng)態(tài)工作面形成穩(wěn)定的空間。目前針對(duì)深部大采高特定條件下支架分析較少，通過地質(zhì)普查、理論分析提出支護(hù)方式和設(shè)備選型，利用三維數(shù)值計(jì)算及力學(xué)分析驗(yàn)證所選設(shè)備的安全性和實(shí)用性，并在生產(chǎn)實(shí)踐中得到驗(yàn)證，從而保證安全、均衡開采。

1 工程背景

1.1 井田特征

陜西黃陵二號(hào)煤礦于黃龍礦區(qū)中部，黃陵礦區(qū)西北部，是典型的瓦斯油型氣共生礦井和智能化生產(chǎn)礦井[9-11]，是國家批建的14個(gè)大型煤炭生產(chǎn)基地的主要生產(chǎn)礦井之一，是陜煤集團(tuán)所屬主要優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤產(chǎn)地之一。該礦地質(zhì)構(gòu)造為一傾向北西—北西西的單斜構(gòu)造，煤層傾角一般1°～5°。整個(gè)井田被延安組呈單斜構(gòu)造將井田一分為二，其一位于井田西部，長約28 km，寬約3.5 km，幅度20～30 m；其二位于井田中部，長約34 km，寬約2.6～5 km。

1.2 圍巖特性

礦井初期普查勘探結(jié)果表明：二號(hào)井四盤區(qū)2號(hào)煤層，地表標(biāo)高在+1 157～+1 364 m，井下標(biāo)高在+711～+732 m，平均埋深約550 m；工作面及附近鉆孔揭露的煤層厚度最大7.09 m，最小5.1 m，平均約為6.1 m。四盤區(qū)各工作面煤層上覆巖層依次為細(xì)砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖的疊加，煤層賦存條件如圖1所示。煤層頂、底板圍巖特征見表1。

表1 煤層頂?shù)装逄匦?/p>

隨著工作面回采，煤巖內(nèi)部應(yīng)力及儲(chǔ)能在時(shí)間和開采位置的不斷變化下，不斷卸壓與移動(dòng)，使圍巖裂隙發(fā)育更加充分，易造成工作面漏頂?shù)繇?、煤壁片幫等礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。

1.3 生產(chǎn)條件

目前四盤區(qū)為單翼開采，各工作面走向長度×傾斜長度約為2 632 m×300 m，共布置175臺(tái)支架。煤層屬穩(wěn)定-較穩(wěn)定煤層，采煤法選用長壁后退式一次采全高模式，全部垮落法管理采空區(qū)頂板。

針對(duì)二號(hào)井2號(hào)煤層開采環(huán)境與煤層賦存特征的全面調(diào)查分析，為后續(xù)大采高均衡、持續(xù)與快速經(jīng)濟(jì)開采模式、確定關(guān)鍵回采裝備合理選型，以及安全開采奠定了堅(jiān)實(shí)的地質(zhì)基礎(chǔ)。

2 支架力學(xué)特性分析

2.1 支架與圍巖相互作用關(guān)系

支架運(yùn)動(dòng)與圍巖的互作用是一種雙饋動(dòng)力學(xué)的過程[12]。大采高工作面給其頂板運(yùn)動(dòng)帶來了較大的空間，使得頂板的懸臂長度、回轉(zhuǎn)角度和斷裂釋放能量的程度增加，支架承受的破斷頂板大范圍運(yùn)動(dòng)帶來的動(dòng)載，易導(dǎo)致支架倒架、壓架等現(xiàn)象。深部大采高液壓支架的初撐力必須滿足調(diào)節(jié)頂板、煤壁剪切破壞、支架水平抗推翻結(jié)構(gòu)和承載力，適應(yīng)頂板大尺度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)支架穩(wěn)定性影響的雙重調(diào)節(jié)機(jī)制。

因此根據(jù)煤層及覆巖特點(diǎn)，選用工作阻力高的二柱掩護(hù)式支架。該支架能適用于頂、底板是中等穩(wěn)定的長壁工作面。初步得出液壓支架的中心距為1 750 mm。

2.2 支架高度確定

支架支護(hù)高度確定如下式所示。

最大高度：Hmax≥Mmax+S1

(1)

式中，Mmax—設(shè)計(jì)工作面最大高度，6.0 m；S1—偽頂冒落高度，0.20 m。

最小高度：Hmin≤Mmin-S2

(2)

式中，Mmin—設(shè)計(jì)工作面最低高度，3.20 m；S2—頂板最大下移量和支架前移的最小可縮量，0.25 m。

由上述計(jì)算得出，支架最大伸長高度為6.20 m，最小收縮高度為2.95 m左右。

2.3 支架支護(hù)強(qiáng)度的校驗(yàn)

支架支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算公式為

P=(6～8)×M×γ

(3)

式中，P—支架支護(hù)強(qiáng)度，t/m2；M—采高，取6.0 m；γ—頂板巖石密度，取2.5 t/m3。

經(jīng)計(jì)算液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度為：90～120 t/m2。由此可知支架額定工作阻力在9 000～12 000 kN之間，支架初撐力大約為60.0%～85.0%的額定工作阻力，則初撐力在6 000～9 350 kN之間。

由上可知，二號(hào)井2號(hào)煤層大采高工作面液壓支架確定為架型是二柱掩護(hù)式支架，支撐高度2.8～6.2 m，支護(hù)強(qiáng)度不小于12 000 kN，支架中心距為1 750 mm。結(jié)合國內(nèi)、外高產(chǎn)高效工作面經(jīng)驗(yàn)，回采工作面的支架頂梁要求采用整體剛性結(jié)構(gòu)，不使用鉸接頂梁，以使掩護(hù)式支架具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、造價(jià)較低、便于維修的特點(diǎn)。支架前梁的護(hù)幫板為一級(jí)、二級(jí)2個(gè)，支架底座帶有千斤頂?shù)膭傂缘鬃?。最終選用的掩護(hù)式液壓支架型號(hào)為ZY12000/28/63D。

3 支架參數(shù)優(yōu)化

3.1 數(shù)值模型計(jì)算及荷載約束

在深部、大采高等條件下，回采過程中采高大、支架重心高，容易造成支架不穩(wěn)定與可靠性低的難題。為確保支架主要部件滿足在工作過程中的受力，通過上述結(jié)論利用力學(xué)特性分析對(duì)支架進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，如圖2所示。對(duì)ZY12000/28/63D型掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行力學(xué)變化分析。

受頂板在頂梁上均布載荷，給模擬支架前、后端分別施加P1(1.56 MPa)，P2(6.36 MPa)的力，支座底面全部約束，約等于支架工作壓力(12 000 kN)。假定傾斜頂板對(duì)支架產(chǎn)生的力沿重力方向，當(dāng)頂板壓力逐漸增大，直至支架立柱到達(dá)額定載荷，安全閥開啟。立柱的支撐力為頂板壓力，支架所受合力作用點(diǎn)可能要偏出支架下邊沿，將會(huì)導(dǎo)致支架歪斜、傾倒。

根據(jù)力矩極限平衡要求，底板反力作用點(diǎn)在O點(diǎn)處，如公式(4)(5)所示。

(4)

b=(B/2)cosα-csinα

(5)

從式(5)可看出b與α成反比。支架穩(wěn)定性高是因?yàn)橹Ъ艿鬃綄?，其適應(yīng)性越強(qiáng)。

3.2 應(yīng)力與位移計(jì)算

采動(dòng)影響下的工作面的支承壓力分布情況，如圖3所示。

A-減壓區(qū)；B-增壓區(qū)；C-穩(wěn)壓區(qū)；D-極限平衡區(qū)；E-彈性區(qū)

通過Analysis system理論分析，對(duì)各構(gòu)件的位移與應(yīng)力結(jié)果如圖4～7所示。

在正常支護(hù)時(shí)，結(jié)合圖4支承壓力分析：工作面前上方應(yīng)力大，導(dǎo)致端頭位移量最大(95.41 mm)；位移沿著與端頭鏈接的頂梁依次減少，與液壓柱連接處有少量位移(10.6 mm)。四連桿和底座處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 位移分布

移架過程中，除底座外其余均產(chǎn)生位移。頂梁端頭處的位移量最大，為14.88 mm；四連桿位移量少，為1.653 mm?？傮w上呈現(xiàn)由上到下，依次減少，底座無位移，如圖5所示。

圖5 移架時(shí)位移分布

由圖6可知，頂梁與下部連接處所受的力最大，為592.5 MPa。頂梁一直處于支護(hù)狀態(tài)，上部均有受力；距連接處的間距越遠(yuǎn)，受力越小，最小為22.15 MPa。

圖6 頂梁等效應(yīng)力布

圖7與圖6基本相似，連接上下構(gòu)件受力最大，中部最小。由于受力方向不同，上部的受力內(nèi)側(cè)向上，最大137.8 MPa；下部與上部相反(內(nèi)側(cè)向下)，最大受力為126.9 MPa。

圖7 連桿的應(yīng)力分布

由此得出，在與煤層接觸地方位移量大且構(gòu)件連接處受力大。綜上所述，該支架具有穩(wěn)定性、可靠性，且該支架滿足實(shí)際工作需要，滿足安全生產(chǎn)。

4 應(yīng)用效果

二號(hào)井四盤區(qū)418工作面選用的ZY12000/28/63D型掩護(hù)式液壓支架，采用電液閥控制移架。利用PM35電液控制系統(tǒng)監(jiān)測大采高支架運(yùn)行情況，其中85架運(yùn)行情況，如圖8所示。

上部-工作阻力；下部-初撐力

由圖可知，生產(chǎn)期間85#支架工作阻力在495～923 kN之間，初撐力在268～460 kN之間。工作阻力普遍在700～800 kN之間，平均工作阻力約700 kN。連續(xù)監(jiān)測的8457次的過程中，工作阻力多次出現(xiàn)波峰變化。初撐力普遍在350～400 kN之間，平均初撐力約為365 kN。

隨著工作面的連續(xù)回采，支架來壓期間的工作阻力與工作面推進(jìn)距離關(guān)系，如圖9所示。

圖9 支架工作阻力與工作面推進(jìn)關(guān)系

在推進(jìn)到18 m時(shí)工作阻力最小，為9 473 kN；推進(jìn)到130 m時(shí)工作阻力最大，為11 608 kN。隨著推采距離的加大，工作阻力越大并趨于12 000 kN。

監(jiān)測結(jié)果表明：12 000 kN的支架阻力能滿足二號(hào)井開采與頂板管理要求，由此表明二號(hào)煤礦大采高支架的關(guān)鍵參數(shù)符合現(xiàn)場開采條件。開采實(shí)踐證明，ZY12000/28/63D型掩護(hù)式液壓支架能夠滿足生產(chǎn)需求，能最大限度地提高資源回收率，實(shí)現(xiàn)礦井安全平穩(wěn)生產(chǎn)。

5 結(jié)論

通過圍巖特性及理論計(jì)算，確定出支架為掩護(hù)式液壓支架，參數(shù)為ZY12000/28/63D。依據(jù)數(shù)值計(jì)算可知，支架頂梁及護(hù)幫板受力最大，其次為支架各連接構(gòu)件。ZY12000/28/63D型掩護(hù)式液壓支架能夠滿足安全生產(chǎn)必須的工作阻力、周期來壓、支撐力等，能夠保證礦井正常生產(chǎn)和平穩(wěn)發(fā)展。