同煤集团坚硬顶板特厚煤层6m一次采全高液压支架研究

2012-01-16宋银林

采矿与岩层控制工程学报 2012年4期

关键词：安全阀矸石立柱

宋银林

(大同煤矿集团公司，山西大同037003)

同煤集团坚硬顶板特厚煤层6m一次采全高液压支架研究

宋银林

(大同煤矿集团公司，山西大同037003)

根据大同煤田12号煤层地质情况，分析了坚硬顶板条件下工作面的矿山压力显现特点以及在该地质条件下大采高液压支架应具备的能力，研制开发了相应的液压支架，满足了该条件工作面开采需要。

液压支架;坚硬顶板;抗冲击;稳定性

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大同煤矿集团公司厚煤层的工业储量大约为0.247Gt，其中可采储量为0.175Gt，主要分布在四老沟、永定庄、煤峪口、马脊梁、燕子山、四台、云岗、晋华宫等矿的11号、12号和14号煤层。其赋存的主要特点为：煤层厚度变化大;煤层分叉合并的情况较多，局部夹石现象严重，夹石硬度较大;煤层节理裂隙发育，受采动影响，煤壁容易片帮;煤层顶板的结构、岩性、分层厚度等差异大。其中，12号煤层直接顶坚硬，垮落时对工作面液压支架产生很大的冲击，因此需要研究开发一种适应坚硬顶板条件的厚煤层一次采全高液压支架，实现该煤层安全高效开采。

为此，同煤集团和天地科技股份有限公司开采设计事业部根据大同煤田12号煤层特殊地质条件，联合开发设计了ZZ13000/28/60型支撑掩护式液压支架，支架结构高度2.8～6.0m，最大采高5.8m，工作阻力13000kN，于2010年通过5万次型式试验，相继在晋华宫和忻州窑煤矿投入使用。生产结果表明，该支架结构合理，支护能力满足要求，未发生结构件开裂和支护性能不足问题。

1 地质条件

12号煤层结构简单，赋存稳定，只在西、中部发育一至二层夹石，夹石单层最大厚度0.6m，煤层中间薄两边厚，中部发育一210m煤层变薄区，煤层厚度1.4～3.0m，平均煤厚2.2m。东部煤层3.0～6.9m，平均煤厚5.6m，西部煤层3.0～7.3m，平均5.8m。工作面有深灰色砂质页岩伪顶，厚度为0.9m;直接顶为深灰色细砂岩，厚2.3m;基本顶为灰白色中粗砂岩，厚18.2m。底板为灰细砂岩、砂质页岩。

煤层综合柱状图如图1所示。

图1 煤层综合柱状图

2 大采高坚硬顶板工作面矿压显现特点

顶板坚硬，完整性好，采空区顶板悬顶长，当悬顶达到一定长度断裂垮落时，矿压显现十分强烈。在顶板冲击压力下，支架载荷瞬间突然增大，要求立柱安全阀能够及时开启，以保证支架立柱和结构件不受冲击载荷而损坏。

3 液压支架架型选择

由于12号煤顶板坚硬和不易冒落，因此要求液压支架具有较高的支撑能力、较强的切顶性能和抗冲击能力。由于采高最大5.5～5.8m，还要求支架具有较好的稳定性。四柱支撑掩护式支架具有承载力大、切顶能力强、稳定性好等特点，对坚硬顶板条件工作面适应性好，因此选用支架。

4 工作阻力确定

4.1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，5.8m;γ为岩石密度，取2.5t/m3。

4.2 岩石密度法确定支护强度

该方法认为支架支护强度主要同支架上方矸石冒落带重量和顶板来压时的动载系数有关，即：

式中，Kd为采高大动载系数，取2;Kp为顶板岩石碎胀系数，取1.25;M为采高，m;取Mmax=5.8m;γ为岩石密度，取γ=25kN/m3。

将各参数代入计算，得：

以上2种计算方法求解的结果基本一致，即支架的支护强度不能小于1.16MPa，考虑一定的安全系数，最终支架的支护强度取1.2MPa。

4.3 额定工作阻力F确定

式中，P为综采区工作面额定支护强度，P≥1.2MPa;L为支架中心距，取L=1.75m;Bc为控顶距，取Bc=5.8m;η为支撑效率，取η=0.98。

F≥1.2×106×1.75×5.8/0.98≥12429(kN)

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压力，得支架额定工作阻力为F=13000kN。

5 坚硬顶板条件下大采高液压支架适应性研究

5.1 支架抗冲击研究

通常情况下，由于掩护梁上冒落矸石的作用载荷与支架水平力相比，几乎可以忽略不计，因此不必额外计算。在坚硬顶板条件下，顶板断裂时，有一定的冲击力，支架常因该力而发生纵向滑移，引起立柱爆裂、“鼓肚”、弯曲和结构件损坏，因此需要计算冒落矸石对掩护梁的冲击力，计算式为：

式中，F为矸石以冲击的方式作用在掩护梁上的力，kN;W为作用矸石的重量，t;h为矸石冒落时对掩护梁的冲击高度，m;g为重力加速度9.81m/s2;k为矸石对掩护梁作用方式系数;t为冲击作用的时间，s。

上述计算式中主要参数选取如下：

矸石对掩护梁的作用方式系数k，当大块岩石直接冲击在掩护梁上时，k取1;当大块岩石呈岩梁冒落，一端作用在掩护梁上，另一端同时作用在底板矸石时，k取0.5。

矸石冲击作用的时间t，根据多年的观察和测试，一般t=0.01～0.02s。

经估算分析，在大采高条件下，若支架后部1.5m长3m厚的悬板以3.5m高度冲击掩护梁时对掩护梁的冲击力F即可超过1400t;3m长4m厚悬臂岩梁以4m高度冲击掩护梁，其冲击力超过4000t。

大块顶板岩石对掩护梁的冲击力F可分解为：垂直于掩护梁的力P1和平行于掩护梁的力P2(如图2所示)。

图2 顶板大块岩石冲击掩护梁

由图可知，P1=Fcosθ，式中，θ为掩护梁背角。P1随θ角、采高h的减小而增大，因此设计时尽量增大掩护梁背角、减少掩护梁外露量，使用中尽量保持液压支架工作在采高上限，减小垮落的顶板在掩护梁上的作用面积，减小水平推力。

5.2 立柱采取的措施

液压支架立柱安装在顶梁和底座之间，顶板的冲击压力作用在顶梁上，通过立柱传递到底座。工作面顶板压力一般呈现周期性显现，液压支架在一个工作循环( 降柱—拉架—升架) ，立柱的外载特征表现为初撑增阻—缓慢增阻—急增阻—恒阻(小幅震荡)—降柱降阻，其承载特征如图3。

图3 液压支架立柱承载特征曲线

坚硬顶板工作面，矿压显现较明显，表现为来压突然，载荷有冲击性，立柱瞬间急增阻，由于冲击时间很短，常规的立柱安全阀的弹簧动态响应速度跟不上冲击载荷造成的立柱增阻速度，安全阀卸载口来不及开启卸压，立柱内腔压力瞬间增大，造成立柱损坏。立柱承受外载冲击的特征如图4。

图4 立柱承受外载冲击特征曲线

为此，在立柱上除了安装200L/min常用安全阀外，还在缸体下腔安装1000L/min大流量旁路安全阀，当立柱受到冲击压力时，旁路安全阀及时开启，快速卸压，以保护立柱不受损坏。

5.3 优化四连杆机构提高支架性能

液压支架四连杆机构参数选择设计时，要求液压支架在工作段由高位置运动到低位置时，四连杆双纽线运动轨迹向工作面煤壁方向倾斜，保证水平摩擦力始终指向采空区，梁端距轨迹曲线如图5。

水平摩擦力始终指向采空区，通过力的传递，可以使底座合力作用点向支架后部移动，进而减小底座前端比压，使支架运动平稳顺利。

5.4 支架纵向稳定性研究

减小四连杆机构销孔间隙，减小顶梁的偏摆量，提高支架纵向稳定性。通过对纵向稳定性的计算和分析，当销轴和孔的最大间隙为1.0mm时，采高在5.8m时，液压支架顶梁纵向偏摆量可达到72mm;当销轴和孔的间隙设计为0.75mm时，液压支架顶梁纵向偏摆量可降到49.7mm以内。减小销轴和孔的间隙虽然增加了制造和组装的难度，但根据目前国内的加工水平，完全能够实现。为了减小四连杆机构的销轴和孔间隙，孔尺寸公差设计为H10(0，+0.18)，轴尺寸公差设计为 h10(-0.18，0)，以保证四连杆机构的销孔间隙在0.5～0.75mm之间变化。

图5 梁端距变化曲线

减小四连杆铰接的横向配合间隙，减小顶梁、掩护梁、连杆的偏摆量，提高支架横向稳定性。在液压支架设计中，四连杆机构连接处的横向间隙设计为8mm，档宽公差设计为 (-1.5，0)，耳座宽度公差设计为 (0，1.5)，控制四连杆机构连接处的横向间隙在6.5～9.5mm范围内变化。

在一定采高下，支架越宽，其稳定性越好。ZZ13000/28/60支撑掩护式液压支架的高度已经达到6000mm，为了提高支架的稳定性，将支架的中心距设计为1750mm。

6 液压支架主要参数

架型为四柱支撑掩护式液压支架;支架结构高度为2800～6000mm;支架宽度为1660～1860mm;支架中心距为1750mm;初撑力为10128kN(P=31.4MPa);支架工作阻力为13000kN(P=40.43MPa);支护强度为1.24～1.28MPa;底板前端比压2.1～4.2 MPa;移架步距800mm;泵站压力为31.4MPa;操纵方式为手动控制;重量约43.8t/架。