王家塔煤矿大采高液压支架合理工作阻力研究

王彪谋,周国际

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;2.新奥集团王家塔煤矿,内蒙古鄂尔多斯 017000)

开采装备

王家塔煤矿大采高液压支架合理工作阻力研究

王彪谋1,周国际2

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;2.新奥集团王家塔煤矿,内蒙古鄂尔多斯 017000)

回采工作面液压支架支护强度的确定是液压支架选型中的重点和难点,支护强度确定后,根据液压支架具体配套设计方案中的支护面积,可计算出支架工作阻力。对于新矿区,支护强度的确定通常采用理论公式计算法、数值模拟法、类比法等多种方法进行综合论证,对于浅埋深特殊煤层还要考虑浅埋深相关因素的影响,要采取科学方法进行选型和确定。

大采高;液压支架;工作阻力;计算研究

两柱掩护式大采高液压支架以其良好的适应性被国内外广泛使用,影响掩护式支架适应性的主要因素是支护参数和结构,如初撑力、额定工作阻力和合理的结构功能。支护强度的确定是液压支架选型中的重点和难点,支护强度确定后,根据液压支架具体配套设计方案中的支护面积,可计算出支架工作阻力。以鄂尔多斯矿区王家塔煤矿大采高工作面液压支架工作阻力的确定为例进行分析研究。

1 煤层赋存条件

王家塔煤矿 3-1煤层一盘区可采范围内共有钻孔 36个,钻孔煤厚 2.1～9.2m(含夹矸),平均5.05m,其中厚度大于 6.0m钻孔共 6个,全部集中在 G109高速公路北侧初期开采的前 4个工作面的西部,面积约 1.3km2,其余区域煤层厚度 3.5～5.45m,平均 4.3m。

煤层顶底板岩石主要为砂质泥岩、细粒砂岩、粉砂岩,次为粗粒砂岩。根据钻孔岩石物理、力学性能试验结果,岩石的抗压强度很低,大部分在30MPa以下,砂质泥岩类吸水状态抗压强度明显降低,多数岩石遇水后软化变形,甚至崩解破坏,软化系数绝大部分小于 0.75,均为软化岩石,个别钙质填隙的砂岩或泥岩抗压强度稍高,最高为57.7MPa。因此,煤层顶底板岩石以软弱岩石为主,半坚硬岩石次之。

工作面主要技术参数:采高 4.3～5.3m,工作面长度 300m,总体配套能力为年产 5.0Mt。

2 支护强度计算

支护强度确定的基本原则:使工作面岩层控制在达到最优的技术经济效果的前提下,保证液压支架工作的高可靠性和较高的适应性。对于新矿区在没有矿压观测资料的情况下,支护强度的确定通常采用理论公式计算法、数值模拟法、类比法等多种方法进行综合论证,对于浅埋深特殊煤层还要考虑浅埋深相关加权因素的影响。

2.1 按照采高法确定支护强度

式中,K1为作用于支架上的顶板岩石厚度系数,一般取 6～8,大采高取 8;H为工作面采高,取5.3m;γ为岩石密度,取 2.5t/m3。

2.2 岩石密度法确定支护强度

支架支护强度确定以支撑支架上方冒落带重量并考虑顶板来压时的动载系数 ,计算公式:

式中,Kd为大采高动载系数,取 2;Kp为顶板岩石碎胀系数,取 1.3。

2.3 主采煤层浅埋深因素的影响

埋深小于 150m的煤层可以分为 2种类型:

(1)基岩比较薄、松散载荷层厚度比较大的浅埋深煤层,其顶板破断为整体切落形式,易于出现顶板台阶下沉,基本顶为单一关键层结构的煤层,此类厚松散层浅埋深煤层称为典型的浅埋深煤层。顶板岩层不存在“三带”,基本为垮落带和断裂裂缝带,来压具有明显的动载现象。

(2)基岩厚度比较大、松散载荷层厚度比较小的浅埋深煤层,其矿压显现规律介于普通工作面与浅埋深煤层工作面之间,表现为两组关键层,存在轻微的台阶下沉现象,可称为近浅埋深煤层。

总体上,浅埋深煤层工作面的主要矿压特征是基本顶破断运动直接波及地表,顶板不易形成稳定的结构,来压存在明显动载现象,支架处于给定失稳载荷状态。

根据王家塔矿浅埋深煤层开采条件,运用数值模拟的方法计算得出支架的支护强度应不小于0.935MPa。

2.4 类比计算法

借鉴已开采工作面成功经验,进行类比研究液压支架支护强度是非常重要的方法。王家塔矿煤层赋存条件与神东矿区、鄂尔多斯矿区类似,均属于浅埋深煤层,但王家塔矿顶板相对较软,随采随冒,矿压显现相对神东矿区工作面压力较弱。

神东、鄂尔多斯矿区采高 5.5 m工作面使用的国内外液压支架主要特征及参数统计如表 1、表 2。

表 1 国外 5m,5.5 m液压支架主要技术特征

由表1、表2可以看出,5m和 5.5 m大采高掩护式液压支架支护强度大多为 0.92～1.09MPa,工作阻力大多为 8640～9000kN。

表2 国产 5m,5.5m液压支架主要技术特征

综上所述,通过采用理论计算、数值模拟、类比分析等多种方法进行研究论证,考虑设备适用性、可靠性、经济合理性等因素,综合确定王家塔矿综采区工作面液压支架支护强度为 1.1MPa,可以满足使用要求,同时在支架设计时应优化结构,提高其适应性和可靠性。

3 支架工作阻力的确定

综采区工作面支护强度确定以后,支架工作阻力主要取决于支护顶板的控顶面积。支架控顶面积主要与支架中心距和配套设备的断面纵向尺寸有关。由于工作面“三机”配套设备的断面纵向尺寸在采煤机、刮板输送机定型配套后才能准确地确定,本计算暂参考已使用的、设备型号基本相同的机型配套断面进行。

额定工作阻力 F:

式中,P为综采区工作面额定支护强度,P≥1.1MPa;L为支架中心距,取 1.75m;Bc为控顶距,取 4.7m;η为支撑效率,取 0.98。

对以上计算结果进行数字圆整,同时考虑立柱的合理缸径和安全阀开启压力,确定额定工作阻力F=9300kN。为了进一步提高支架的安全可靠性,最终确定支架工作阻力为 10800kN。

4 结论及建议

(1)在通常开采条件下,王家塔煤矿 5.5m液压支架支护强度为 1.05～1.1MPa,工作阻力为9300kN,可满足年产 5.0Mt的要求,考虑一定的富裕系数,确定支架工作阻力为 10800kN。同时在支架设计时应优化结构,提高其结构可靠性。

(2)应尽量减小掩护梁长度,增大掩护梁水平面夹角 (背角),减小掩护梁在水平线上的投影长度,减小支架掩护梁所受冲击载荷。

(3)由于浅埋深煤层顶板直接垮落具有较大的冲击载荷,安全阀流量的选择必须考虑立柱缸径、冲击载荷来压强度。支架每根立柱应至少设有1个 1000L/min大流量安全阀,以避免顶板冲击压力造成支架损坏。

(4)考虑冲击载荷的影响,掩护梁要保证有足够的强度,具有抗冲击能力,关键部位应比普通支架安全系数提高 1.2倍以上,同时要优化设计,减小应力集中,提高焊缝设计强度。

[1]王国法 .大采高技术与大采高液压支架的开发 [J].煤矿开采,2009(1):1-4.

[2]张银亮 .国产大采高液压支架的研究现状与发展趋势 [J].煤矿开采,2008(6):1-3.

[3]王彪谋 .高端液压支架研制与使用技术条件分析 [J].煤矿开采,2008(5):1-2.

[责任编辑:张银亮]

Research on RationalW orking Resistance of Powered Support with LargeM in ing Height in W ongjiata Colliery

WANGBiao-mou1,ZHOU Guo-ji2

(1.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China; 2.Wangjiata Colliery,Xinao Group,Erdos 017000 China)

Supporting density deter mination is a main content and it is difficult in lectotype of powered support.After deter mining supporting density,we can calculateworking resistance ofpowered support according to supporting square.For a new mining area,it isoften determined comprehensively by theoretical formula,numerical simulation and analogy.For the special coal seam with shallow buried depth,other factors related to shallow buried depth must be considered and apply scientific method.

large mining height;powered support;working resistance;calculation research

TD355.4

A

1006-6225(2010)05-0064-02

2010-04-14

王彪谋 (1963-),男,甘肃民勤人,研究员,从事综采工作面总体配套和液压支架设计,现任开采装备技术研究所副所长。