关于放顶煤仰采工作面液压支架设计关键技术的探讨
2021-11-28王瑞叶进宋会李川
王瑞 叶进 宋会 李川
摘 要:本文根据某矿煤层赋存条件,通过对放顶煤仰采工作面常见问题进行分析,从液压支架角度提出了解决措施,最终设计出ZF10000/22/35D放顶煤液压支架。这解决了放顶煤仰采工作面液压支架设计难题,为煤矿安全、高效生产提供了保障。
关键字:液压支架;仰采;放顶煤;设计
中图分类号:TD355 文献标识码:A 文章编号:1003-5168(2021)27-0060-03
Abstract:According to the coal seam occurrence conditions of a certain mine, this paper analyzes the common problems in upward fully mechanized mining face, and proposes solutions from the perspective of hydraulic support,and finally designs ZF10000 / 22 / 35D top coal caving hydraulic support. This solves the hydraulic support design problems in upward fully mechanized mining face,providing guarantee for safe and efficient production of coal mines.
Keywords: hydraulic support;upward mining;top coal caving;design
放頂煤工作面在仰采工矿下,其受力状态与缓倾斜状态不同,容易出现支架失稳翻转、煤壁片帮、顶板冒落等问题,造成人员伤害,给矿井安全开采带来极大的隐患。本文以仰采工作面ZF10000/22/35D放顶煤液压支架设计为例,分析液压支架设计过程中的优化方案和解决措施。
1 液压支架主要技术参数
1.1 地质条件
某矿放顶煤工作面可采长度1 724 m,切眼长330 m,储量924万t,平均煤厚12.6 m。仰采角度11°~12°,最大17°。老顶为砾岩,厚度305.4~603.8 m,红灰色,砾石成分以浅灰色或肉红色的石英岩、石英砂岩、灰色石英岩为主,次为成岩、安山岩、玄武岩,次圆状,分选差,砾径一般5~50 mm,呈孔隙式胶结。直接顶为泥岩,厚度36.4~37.4 m,灰~深灰色,致密块状,性脆。直接底为炭质泥岩、含砾砂岩,厚度0~9.8 m,灰黑色,局部含炭量高,夹有煤线。煤层上半部为半亮型块状硬质煤,煤质较好;下半部为半暗型块状硬质煤,煤质较差,煤层厚度和产状较稳定,无明显变化,煤层硬度坚固系数为1~1.5。矿井正常涌水量为197 m3/h,最大涌水量为410 m3/h。
1.2 液压支架主要技术参数
支架形式:四柱支撑掩护式放顶煤液压支架(见图1)
支架型号:ZF10000/22/35D
支撑高度:2 200—3 500(mm)
支撑宽度:1 430—1 600(mm)
中心距:1 500(mm)
工作阻力:10 000 kN(P=40.6 MPa)
支护强度:1.15~1.20 MPa
操作方式:电液控制
2 液压支架设计要点
2.1 仰采支架受力状况
在缓倾斜工况下,支架的水平载荷是由顶梁相对底座的水平位移产生的,摩擦力指向支架后方。
仰采时,支架不仅受到顶板、顶煤的压力,而且由于支架本身重力作用,有下滑的趋势,此时支架所受顶底板摩擦力方向向上[1]。相比较一般缓倾斜支架,仰采支架设计时需要着重关注以下两点。
①仰采时支架底座合力作用点后移,底座前端比压减小,后端比压增大。
②仰采时支架前后连杆受力比缓倾斜开采大。
根据上述受力情况,本次支架设计立足于四连杆机构的合理布局,数据如下表1所示。
为使支架仰采时受力更合理,需要对液压支架结构进行优化。
①对底座进行适应性设计,对底板比压更适应仰采工作面,加长底座后端长度,使仰采时底座合力点不超出底座后端。
②采用前双后双连杆布置,并进行加强。提高支架整体的抗扭能力和稳定性,更好地控制掩护梁后部因煤流压力造成的偏斜。
2.2 片帮冒顶控制措施
由于仰采时煤体有向采空区运动的趋势,容易发生煤壁片帮。对此问题,从支架结构设计上,进行以下有效控制措施。
2.2.1 控制梁端距。梁端距在正常情况下,煤壁片帮深度随梁端距的加大而加深。在充分考虑推移输送机不到位或下滑以及采煤机滚筒挑顶,可能与顶梁干涉的特殊因素,保证采煤机滚筒不截割支架顶梁的前提下,梁端距尽量取小距离。
缓倾斜工况下,液压支架顶梁前端与煤壁之间梁端距计算公式[2]
L=H×tan5°+(B1-B2)+50 (1)
式中,L为梁端距,mm;H为支架最大高度,mm;B1为采煤机滚筒最大高度,mm;B2为支架推溜步距,mm。
计算可得L=426.2 mm,考虑仰采工作面特殊情况下,仰采工作面梁端距设置在520 mm左右。
2.2.2 选用顶梁加铰接前梁结构。煤壁片帮深度随顶梁第一接顶点至煤壁间距的增大而加深。当顶板较破碎时,在移架时破碎的煤矸向掩护梁方向充填,支架顶梁前部上方形成空穴,支架升起接顶支撑后,顶梁前部翘起,严重时支架整体失稳翻转。采用铰接前梁结构可有效适应顶板,使液压支架在井下的适应性增强。
此外,由于控制顶梁前端的支撑力可有效防止片帮问题。为提高支架的前端支護性能,提高前梁的前端力,选用大缸径前梁千斤顶。
2.2.3 采用伸缩梁带四连杆式护帮装置。采煤机割煤后,伸缩梁及时伸出至煤壁,护帮板打出紧贴煤壁,可有效防止片帮(见图2)。
①伸缩梁千斤顶行程按900 mm设计,保证有足够的行程满足采煤机截距。
②考虑到仰采工作面容易出现片帮冒顶,需要较长的护帮板打出贴紧煤壁,出现大面积片帮后,在千斤顶与护帮板之间增加一个四连杆机构,把千斤顶的作用有效地传递到煤壁和顶板上。
2.3 后部刮板机装煤
对于仰采工作面,布置后部刮板输送机时,相对于缓倾斜开采时应后置,以提高放煤效率。仰采12°,采高3 000 mm时,前后部刮板输送机中心距离设计为6 700 mm。设计拉后溜链条时给出余量,根据采高和仰采角度,可现场调整中心距,加大放煤口尺寸,保证放煤效率。
2.4 掩护梁背角
考虑该矿煤为较厚块煤,为保证顺利放煤,保证正常采煤时放煤角度在30°~45°,由于仰采时与工作面不垂直,有12°左右差,掩梁背角设置时应考虑仰采角度。支架设计时,按12°仰采角度进行设计:①支架设计3 000 mm采高时,掩梁背角为23.72°,加上12°为35.72°;②支架设计3 300 mm采高时,掩梁背角为31.72°,加上12°为43.72°;③支架设计2 600 mm采高时,掩梁背角为14.2°,加上12°为26.2°。
2.5 推溜与拉架
仰采工作面拉架力和推溜力分析。
拉架:拉架力需要额外克服重力下滑分力,支架重量暂按29 t计算,比正常水平条件下拉架力增加G×sin17°=84.8 kN。
推溜:一节过渡槽或者变线槽或中部槽,算上哑铃、挡板托架等各种附件,重量按4 t计算,其仰采至少所需克服力为40+40×sin17°≈52 kN,而千斤顶推溜力为445 kN,远大于单节槽所需。
针对上述分析造成的推移刮板输送机以及拉架困难,从以下两点优化设。①采用强度更高的整体推杆,对于控制前刮板机和支架上窜下滑效果较好,主要结构件采用Q690高强板。②推移千斤顶选用大缸径倒装千斤顶,用于提高拉架力和推溜力。
3 结语
通过对仰采综放工作面液压支架受力、煤壁片帮、顶板冒落、移架困难、装煤放煤效果等进行分析,主要从以下几点优化结构,设计出了ZF10000/22/35D放顶煤液压支架。
①从放顶煤仰采工作面受力情况分析,应优化加强四连杆结构,加长底座后端长度,使仰采时底座合力点不超出底座后端,提高支架整体的抗扭能力和稳定性。
②通过控制梁端距,选用顶梁加铰接前梁、伸缩梁带四连杆式护帮装置,有效控制煤壁片帮和顶板冒落问题。
③布置后部刮板输送机时,相对于缓倾斜开采时应后置,并合理设计掩护梁背角,以提高放煤效率。
④设计采用强度更高的整体推杆,大缸径倒装推移千斤顶,以提高拉架力和推溜力。
参考文献:
[1] 闫洪元,李景辉,张显亮,等.俯采仰采对液压支架受力状况影响的分析[J].煤矿机械,2012,33(11):83-84.
[2] 王国法.液压支架技术[M].北京:煤炭工业出版社,1999.