急倾斜厚煤层水平分段放顶煤开采液压支架选型

2016-04-06刘文郁

采矿与岩层控制工程学报 2016年1期

关键词：数值模拟

刘文郁

(中煤科工集团工程科技有限公司，北京 100013)

急倾斜厚煤层水平分段放顶煤开采液压支架选型

刘文郁

(中煤科工集团工程科技有限公司，北京 100013)

[摘要]针对阿刀亥煤矿Cu2煤层为急倾斜厚煤层的实际情况，采取了水平分段综合机械化放顶煤开采工艺，通过估算法和数值模拟法对液压支架选型进行了对比分析，得出阿刀亥煤矿Cu2煤层合理支护强度为0.7MPa；经过研究决定，工作面中部支架选型定为ZF3800/17/28支撑掩护式放顶煤液压支架，放顶煤过渡支架选型定为ZFG3800/17/28H型。结果表明：架型参数合理，满足了工作面回采需要。

[关键词]急倾斜厚煤层；液压支架选型；FLAC3D；数值模拟

Hydraulic Support Selection for Horizontal Section Top Coal

Caving in Steep-inclined and Extremely Thick Seam

急倾斜煤层是指工作面倾角在45°以上的煤层，厚煤层是指煤层厚度在3.5m以上的煤层，这类煤层占我国煤田开发总数的40%以上，赋存较为广泛。在我国国有重点矿井开采急倾斜厚煤层的矿井数量占国有重点矿井总数的17%左右，地方矿井开采急倾斜厚煤层的矿井数量占地方矿井总数的40%左右[1]。由于受煤层的赋存条件、煤层结构、地应力分布等因素影响，急倾斜厚煤层开采方法多种多样。急倾斜厚煤层水平分段放顶煤开采时，由于受煤层厚度的限制，工作面长度一般比较短。根据煤层的赋存特征，当开采急倾斜厚煤层的工作面长度确定后(这种煤层的工作面长度一般比较短)，增加煤炭产量的主要方法是提高水平分段的高度(18～25m一般是比较合理的水平分段高度)[2-5]。在急倾斜厚煤层水平分段开采中，合理地提高分段高度可以简述为“三低一高”：降低了掘进成本和百万吨掘进率；减少了搬家倒面次数；提高了单位推进度的煤炭产量[6-8]。依据急倾斜厚煤层综放工作面的矿压显现及围岩活动规律，结合液压支架的选择原则，为阿刀亥煤矿0.9Mt/a综放工作面进行了合理的液压支架设备选型，为类似条件工作面选型提供参考。

1工作面概况

阿刀亥煤矿Cu2煤层采用水平分段综合机械化放顶煤开采，机采高度定为2.6m，放煤高度13.4m，工作面采煤设备按照0.9Mt/a能力设计，工作面长度63m。矿井主采煤层为石炭二迭纪Cu2煤层，煤层平均厚度60m，煤层倾角一般在70°以上。煤层瓦斯含量6.25m3/t，瓦斯压力0.6MPa。煤尘具有爆炸性，爆炸指数18.07%～20.65%。煤层自燃倾向性等级为Ⅱ级，为自燃煤层。开采过程中绝对瓦斯涌出量为25.916m3/min，相对瓦斯涌出量为13.049m3/t，属高瓦斯矿井。考虑到阿刀亥煤矿煤层瓦斯相对涌出量较大，该工作面瓦斯含量较高，采用放顶煤工艺进行开采之前采取了瓦斯抽放的办法来降低矿井瓦斯，采用的瓦斯抽放方法包括顶板高位抽放、本煤层抽放和挂耳巷抽排等。

2急倾斜厚煤层液压支架选型

2.1煤矿液压支架选型设计

针对阿刀亥煤矿已有支架的使用情况，支架采用整体顶梁带伸缩梁结构。由于工作面长度较短，支架中心距确定为1.25m。结合该煤矿Cu2煤层实际情况，支架架型选用四柱低位放顶煤支架。

2.2液压支架支护强度确定

2.2.1估算法[9]

该估算法建立在液压支架工作阻力基础之上，工作面支护强度采用经验公式计算：

Pt=9.81hrk

(1)

式中，Pt为工作面合理的支护强度，kN/m2；h为放顶高度，m；r为顶板岩石密度，1.54t/m3；k为工作面上覆岩层厚度与采高之比，一般为2～8，对于急倾斜短壁综采放顶煤工作面一般选2～3。

Pt=9.81hrk=(9.81×13.4×1.54×3)=607.3(kPa)=0.61(MPa)

2.2.2数值模拟法[10-12]

运用FLAC3D数值模拟软件，建立阿刀亥煤矿三维数值模型：模型的长×宽×高=800m×600m×1000m。煤岩层共分为11层，倾角为70°。煤岩层的物理力学参数见表1。

表1　阿刀亥煤矿煤岩体物理力学参数

图1　阿刀亥矿Cu2煤层综放工作面开采模拟

为了在数值分析中体现这种综放面工程地应力的规律，采用快速应力边界法(S-B法)来模拟煤矿综采面的初始地应力场。根据岩石力学理论进行分析，并结合现场测试所得的资料，本次数值分析初始计算采用弹性模型，开挖计算采用摩尔-库伦本构模型。模拟结果见图1。该数值模拟法建立在液压支架与围岩相互作用关系基础之上，针对阿刀亥煤矿Cu2煤层的赋存条件及模拟的上覆围岩的应力分布规律，运用FLAC3D对其Cu2煤层开采构建数值模拟模型，从图1(b)可以看出阿刀亥煤矿急倾斜厚煤层的应力分布自上而下逐渐增加,符合地应力规律。

图2为不同支护强度与控顶区顶板下沉位移关系曲线。

图2　不同支护强度与控顶区顶板下沉位移关系曲线

分析图2可知(s为距工作面煤壁距离)，液压支架支护强度为0.7MPa时是对顶煤下沉影响的一个拐点。由此可以判断出，该煤矿Cu2煤层开采综放支架的合理支护强度应为0.7MPa。

3液压支架主要技术参数及结构特点

3.1 工作面中部液压支架选型

3.1.1液压支架技术参数

工作面中部支架选型为ZF3800/17/28支撑掩护式放顶煤液压支架，工作阻力3800kN，最低高度1.7m，最大高度2.8m，采高1.9～2.6m。液压支架主要技术参数见表2。

3.1.2液压支架主要结构特点

(1)架型稳定性好，具有足够的抗扭能力，安全可靠。该架型为正四连杆支撑掩护式低位放顶煤液压支架，支护、推移、移架机构完善，人行通道大，前连杆为双连杆，抗扭能力强，稳定性好。

表2　ZF3800/17/28型液压支架主要技术参数

(2)支架顶梁前端带有伸缩梁，行程为700mm，可及时支护新暴露的顶板，解决顶煤破碎架前冒顶问题。

(3)放煤机构靠尾梁回转，插板伸缩实现放煤。尾梁可向上回转，保证后运输机修理作业空间，正常运煤空间高约750mm。

(4)推移为短推杆机构，千斤顶正装，结构可靠、拆装方便、可实现快速移架。

(5)支架配置先进可靠的200L/min的大流量控制系统，以保证快速移架。液压系统中用阀的流量均与系统流量匹配，安全可靠。

(6)支架前、后均配置喷雾降尘系统。为改善放顶煤支架架后放煤的喷雾降尘效果，尾梁喷雾采用随动控制方式，在插板和尾梁动作时，喷雾系统进行自动喷雾[14]。

3.2过渡支架主要技术参数及结构特点

3.2.1液压支架技术参数

过渡支架选型为ZFG3800/17/28H放顶煤过渡支架，支架最低高度1.7m，最大高度2.8m，工作阻力3800kN，具体参数见表3。

表3　ZFG3800/17/28H支架主要技术参数

3.2.2支架的结构特点

(1)该支架为反四连杆四柱支撑掩护式放顶煤排头支架。结构紧凑，可满足前、后运输机及采煤机配套要求，使前、后运输机有合理的布局空间。立柱升缩比大，降低支架的运输高度。

(2)支架尾梁用2根160mm千斤顶支撑，支撑能力大，调节范围高，为后部运输机机头的布置和维护创造了有利条件。

(3)顶梁为带有伸缩前梁的铰接式结构，对顶板适应性好。采用伸缩前梁机构，可实现及时支护，能上挑3～5°，可及时支护新暴露的顶板，解决顶煤破碎、架前冒顶问题[15-17]。

3.3现场应用情况

通过估算法和数值模拟选择急倾斜短壁综采放顶煤工作面支护强度为0.7MPa，选择了ZF3800/17/28支撑掩护式放顶煤液压支架，过渡支架选型定为ZFG3800/17/28H放顶煤过渡支架。通过现场联合试运转使用效果来看，以上支架选型可以满足综合机械化放顶煤的要求，没有发生倒架、歪架和压死支架的情况，能够保证煤矿的高产、高效、安全生产。

4结论

(1)通过建立在支架工作阻力构成分析基础之上的估算法得出急倾斜短壁综采放顶煤工作面支护强度为0.61MPa，通过建立在支架与围岩相互作用关系基础之上的数值模拟方法得出阿刀亥煤矿Cu2煤层开采综放支架的合理支护强度为0.7MPa，经对比分析研究确定工作面支护强度为0.7MPa。

(2)通过估算法和数值模拟法对比分析研究，最终确定工作面中部支架选型定为ZF3800/17/28支撑掩护式放顶煤液压支架，过渡支架选型定为ZFG3800/17/28H放顶煤过渡支架。

(3)实际应用结果表明，阿刀亥煤矿急倾斜厚煤层放顶煤开采选用双输送机插板式四柱低位单伸缩放顶煤支架在现场应用中是合适的，可以极大地提高工作效率，保障工作面回采过程安全。

[参考文献]

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[2]黄庆享.急倾斜放顶煤工作面来压规律[J].矿山压力与顶板管理，1993(1)：22-25.

[3]曹胜根，缪协兴.超长综放工作面采场矿山压力控制[J].煤炭学报，2001，26(6)：2-5.

[4]石平五，高召宁.急斜特厚煤层开采围岩与覆盖层破坏规律[J].煤炭学报，2003，28(1)：25-28.

[5]石平五，漆涛，张嘉凡，等.较薄急斜近距厚煤层水平分段放顶煤科学性分析[J].煤炭学报，2004，29(4)：35-38.

[6]李维光，张占海.赵家坝煤矿急倾斜煤层群联合开采的工程实践[J].岩石力学与工程学报，2005，24(3)：123-126.

[7]陈建强.铁厂沟矿急斜临界角煤层综放开采高产高效关键技术研究[D].西安：西安科技大学，2007.