于海湧 于海波 吳兆華

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京市朝陽區(qū),100013)

四柱式與兩柱式放頂煤支架適用條件分析

于海湧 于海波 吳兆華

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京市朝陽區(qū),100013)

通過神東大柳塔煤礦應(yīng)用的兩柱式放頂煤支架和潞安屯留煤礦(余吾煤業(yè)公司)應(yīng)用的四柱式放頂煤支架的礦壓觀測數(shù)據(jù),分析了兩種支架的理論支護(hù)效率和實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),提出了兩種支架的適用條件,為今后各礦實(shí)施放頂煤開采選擇合理的架型提供參考。

放頂煤 兩柱掩護(hù)式支架 四柱支撐掩護(hù)式支架

自我國采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤方法以來,放頂煤液壓支架架型由原來的高位和中位放煤口改為完全開放的低位四柱支撐掩護(hù)式支架架型。四柱支撐掩護(hù)式支架整體穩(wěn)定性好,不僅適應(yīng)近水平煤層,而且也適用于大傾角煤層開采;支架的4個(gè)立柱均支在頂梁上,使支架具有較大范圍的受力平衡區(qū),支架頂梁后端切頂力大,對頂煤的反復(fù)支撐有較大的影響范圍,具有較好的對頂煤二次破碎能力。然而,放頂煤采煤法要求頂煤隨著支架的前移能夠自然破碎和垮落,頂煤的超前垮落往往使這種四柱放頂煤支架的前后排立柱受載不均勻,導(dǎo)致支架支撐能力降低,尤其在軟煤層開采時(shí),支架后立柱有時(shí)還出現(xiàn)被“拔”的現(xiàn)象,大大影響了支架的支撐效率。

為了克服和避免放頂煤支架在實(shí)際中可能出現(xiàn)的這種問題,2007年興隆莊礦和澳大利亞澳思達(dá)礦開始試用兩柱式放頂煤支架,到2010年底為止,已有神東保德礦、大柳塔礦,鄂爾多斯?jié)M世集團(tuán)的灌子溝礦和平朔安家?guī)X一號(hào)井采用了兩柱掩護(hù)式放頂煤支架。實(shí)踐表明,在開采石炭二疊紀(jì)煤層的保德礦、灌子溝礦和安家?guī)X一號(hào)井均取得了良好的放頂煤開采效果。而在開采侏羅紀(jì)煤層的大柳塔礦,由于煤層偏硬,且節(jié)理裂隙不發(fā)育,采空區(qū)內(nèi)的大塊煤制約了放煤效果。本文根據(jù)神東大柳塔煤礦實(shí)際應(yīng)用的兩柱式放頂煤支架和潞安屯留煤礦(余吾煤業(yè)公司)的四柱式放頂煤液壓支架工作面的礦壓觀測結(jié)果,論述兩柱和四柱式放頂煤支架的應(yīng)用基本條件。

1 實(shí)際綜放工作面條件及效果

1.1 神東大柳塔煤礦

大柳塔08綜放工作面可采厚度3～8.5 m,平均7.3 m,傾角1～3°,一般含夾矸一層,厚0.05～0.28 m,夾矸巖性為粉砂質(zhì)泥巖、泥巖,煤層節(jié)理裂隙不發(fā)育,煤體單項(xiàng)抗壓強(qiáng)度20.07 MPa,工作面埋深平均為96 m,地表為第四系風(fēng)積沙,通過對頂煤可放性綜合評(píng)價(jià)得到大柳塔礦東部盤區(qū)煤層的頂煤冒放性為一般,即頂煤在礦山壓力作用下能夠自行垮落,但塊度大,不易放出。

工作面支架選用ZFY10200/25/42型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架,支架高度變化在2.5～4.2 m,額定工作阻力10200 kN,支架結(jié)構(gòu)如圖1所示。采煤機(jī)為艾可夫(EICKHOFF)公司SL750型采煤機(jī),前后刮板輸送機(jī)為SGZ1000/2×1000大功率型輸送機(jī)。

圖1 ZFY10200/25/42型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架

1.2 潞安屯留煤礦

屯留礦S2202綜放工作面開采石炭二疊系山西組的3#煤層,煤層厚度穩(wěn)定,為5.34～7.25 m,平均6.24 m;煤層傾角為0～14°,3#煤層單向抗壓強(qiáng)度為6.91～12.63 MPa,屬于軟煤層,直接頂一般為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖,底板為黑色泥巖、粉砂巖。通過對頂煤可放性綜合評(píng)價(jià)可知屯留礦3#煤層頂煤的冒放性良好,即頂煤隨采隨垮,且垮落的塊度不大,易于放出。

工作面支架選用ZF7000/19.5/38型四柱支撐掩護(hù)式放頂煤支架,支架采高變化在1.9～3.8 m,額定工作阻力7000 kN,支架結(jié)構(gòu)如圖2所示。采煤機(jī)為MGTY400/900-3.3D型采煤機(jī),前后刮板輸送機(jī)均為SGZ900/2×700型中雙鏈鑄焊封底式刮板輸送機(jī)。

圖2 四柱支撐掩護(hù)放頂煤支架

2 支架支護(hù)效率分析

2.1 兩柱掩護(hù)式支架支護(hù)效率

兩柱掩護(hù)式支架在放頂煤工作面通過支架平衡千斤頂調(diào)節(jié)頂梁仰角的變化,使支架適應(yīng)外部載荷,從而達(dá)到理想的支護(hù)效果。

對于ZFY10200/25/42型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架,支架受力狀態(tài)如圖3(a)所示,支架頂梁外載合力與立柱工作阻力、平衡千斤頂工作阻力及掩護(hù)梁外載的受力狀態(tài)分解如圖3(b)和3(c)所示。

圖3 兩柱掩護(hù)式放頂煤支架力學(xué)特性分析模型

支架頂梁受力載荷為:

式中:Q——頂板合外力,kN;

P——立柱工作阻力,kN;

Z——平衡千斤頂工作阻力,kN,推為正值,拉為負(fù)值;

f——頂梁與頂板間摩擦系數(shù);

W——掩護(hù)梁上所受的外力,kN。

其余為支架結(jié)構(gòu)參數(shù),見圖1。

根據(jù)圖1可知大柳塔礦放頂煤支架ZFY10200/25/42在3.8 m采高時(shí),其支架結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為:α=6°,β=25°,h=6 mm,b=2659 mm,LZ=1680 mm,c=1187 mm。

將上述所有已知數(shù)代入式(1),可得:Q=0.9945P+0.4226Z-0.6318Z-0.4465W

則:

由式(2)可知,支架立柱的工作阻力P只有86.57%用于支撐頂梁載荷Q和克服平衡千斤頂內(nèi)力Z。已知該支架額定工作阻力P為10200 kN,平衡千斤頂額定推力1953 kN,則支架最大對頂板的支撐力Q為8474.5 kN。

由此說明,盡管ZFY10200/25/42支架額定工作阻力為10200 kN,但由于支架結(jié)構(gòu)的限制,對頂板最大只能提供8474.5 kN的支撐力,所以該支架最大有效支撐效率僅為83.1%。

2.2 四柱支撐掩護(hù)式支架支護(hù)效率

四柱式放頂煤支架的前后立柱均支在頂梁上,支架在升降過程中基本能保持頂梁處于水平狀態(tài),大大減少了支架的高射炮工作狀態(tài),從而達(dá)到理想的支護(hù)效果。

對于ZF7000/19.5/38型準(zhǔn)大采高放頂煤液壓支架,其支架受力狀態(tài)如圖4(a)所示,支架頂梁外載合力與立柱工作阻力及掩護(hù)梁外載的分解受力狀態(tài)如圖4(b)和4(c)所示。

將(3)、(4)式代入(5)式,得:

式中:Q——頂板合外力,kN;

P1、P2——支架前后立柱工作阻力,kN;

f——頂梁與頂板間摩擦系數(shù),取0.2;

W——掩護(hù)梁上所受的外力,kN;

其余為支架結(jié)構(gòu)參數(shù),見圖4所示。

根據(jù)圖4可知屯留礦放頂煤支架ZF7000/19.5/38在3.6 m采高時(shí),其支架結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為:α1=7°,α2=4°,h=96 mm,b=2665 mm,c=980 mm。

由式(7)可知,P1+P2是支架總體工作阻力,ZF7000/19.5/38支架對頂板的有效支撐力能達(dá)到6230 kN,支架最大理想有效支撐效率為89%。比ZFY10200/25/42型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架支護(hù)效率高6個(gè)百分點(diǎn),這主要是四柱式支架不存在平衡千斤頂?shù)膯栴},沒有內(nèi)消耗。

圖4 四柱支撐掩護(hù)式放頂煤支架力學(xué)特性分析模型

3 實(shí)際觀測數(shù)據(jù)分析

3.1 兩柱放頂煤支架實(shí)際觀測

為了掌握兩柱放煤支架在大柳塔礦實(shí)際放頂煤開采過程中的受力狀態(tài),對支架立柱和平衡千斤頂上腔壓力和下腔壓力都進(jìn)行了實(shí)際觀測,見圖5。

通過數(shù)據(jù)整理可知:支架在周期來壓過程中平均工作阻力達(dá)到8151 kN,為支架額定工作阻力的80%。

圖6是工作面中部的81#支架平衡千斤頂上腔和下腔在2009年5月11-13日的實(shí)際運(yùn)行變化曲線。在正常支架工作狀態(tài)下,支架平衡千斤頂上腔和下腔都處于帶壓工作狀態(tài),從而使支架處于相對平衡狀態(tài)。由圖6可見,大柳塔礦08放頂煤工作面的兩柱支架的平衡千斤頂?shù)纳锨粔毫?活塞桿腔)大于下腔壓力(活塞腔),平衡千斤頂處于受拉工作狀態(tài),表明頂板外力合力常作用在平衡千斤頂?shù)捻斄褐c(diǎn)附近及支架后鉸接點(diǎn),這是中硬或堅(jiān)硬煤層垮落時(shí)所具有的明顯特點(diǎn)。

圖5 支架立柱和平衡千斤頂壓力變化觀測

表1 工作面周期來壓時(shí)平衡千斤頂上、下腔壓力變化

實(shí)際上,支架平衡千斤頂上腔和下腔的差值即為對頂梁的支撐力或拉力。下腔壓力減去上腔壓力大于零,即平衡千斤頂對頂梁具有支撐力,反之,平衡千斤頂對頂梁具有拉力。大柳塔礦ZFY10200/25/42型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架在實(shí)際使用過程中,平衡千斤頂上腔與下腔的平均壓力差為314.28 kN,表明該支架破壞千斤頂常處于受拉工作狀態(tài),這是由于頂煤存在一定懸頂造成的。

根據(jù)支架立柱和平衡千斤頂實(shí)際觀測數(shù)據(jù)可知,ZFY10200/25/42型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架最大的實(shí)際支撐外部載荷Q為7014 kN。

為此,支架的實(shí)際支護(hù)效率平均為68.7%,表明該支架未能真正發(fā)揮其支護(hù)效率。

3.2 四柱放頂煤支架實(shí)際觀測

對于四柱放頂煤支架主要進(jìn)行常規(guī)的支架前后立柱壓力變化觀測,在屯留礦S2202放頂煤工作面支架來壓時(shí)采用平均壓力值,前柱3013 kN,后柱2352 kN,整架5365 kN。

根據(jù)支架立柱實(shí)際觀測數(shù)據(jù)可知,ZF7000/19.5/38型四柱支撐掩護(hù)式放頂煤支架在屯留礦S2202工作面運(yùn)行過程中最大的實(shí)際支撐外部載荷Q為4775 kN。

因此,該支架的實(shí)際支護(hù)效率平均為68.2%,也沒有充分發(fā)揮支架的支護(hù)能力。此外,支架前柱工作阻力比后柱工作阻力高657 kN,反映了支架實(shí)際頂板載荷合力作用點(diǎn)常常作用在前立柱附近,表明S2202工作面頂煤和頂板都比較破碎,頂煤垮落線經(jīng)常超過支架后鉸接點(diǎn),頂煤垮落角有大于90°的現(xiàn)象,這是軟頂煤垮落時(shí)所具有的明顯特征。

圖6 工作面中間81#支架

4 結(jié)論

(1)兩柱掩護(hù)式放頂煤支架克服了四柱支撐掩護(hù)式放頂煤支架前后立柱受力不均的缺陷,同時(shí)提高了機(jī)道上方的支護(hù)能力。

(2)在理論上兩柱掩護(hù)式放頂煤支架對頂板的支護(hù)效率為83%,而四柱支撐掩護(hù)式放頂煤支架可達(dá)到89%,比兩柱式支架高6個(gè)百分點(diǎn),同時(shí)具有較強(qiáng)的對頂煤二次破碎能力。

(3)兩柱掩護(hù)式放頂煤支架適用于軟煤層或中硬偏下煤層放頂煤開采,而四柱支撐掩護(hù)式放頂煤支架更適應(yīng)中硬偏上煤層放頂煤開采。

[1] 錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003

[2] 王國法.兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架設(shè)計(jì)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2003(4)

[3] 王彪謀,郭昊峰.四柱放頂煤液壓支架主要技術(shù)問題研究[J].煤礦開采,2009(10)

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[5] 王光偉.兩柱掩護(hù)式低位放頂煤支架的應(yīng)用及研究[J].煤礦機(jī)械,2005(11)

Suitable conditions for four-leg and two-leg sublevel caving shield supports

Yu Haiyong,Yu Haibo,Wu Zhaohua

(Mining and Design Department,Tiandi Science and Technology Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China)

The suitable conditions were proposed on the basis of data from strata pressure behavior using two-leg shield supports in Liuta Coal Mine of Shenhua Group and four-leg shield supports in Tunliu Coal Mine of Lu’an Group.The theoretical supporting efficiency and the practical operating status of two kinds of supports were analyzed and the suitable conditions for their application were proposed,providing a reference for different coal mines to choose proper supporting pattern when caving roof coal.

caving roof coal,two-leg shield support,four-leg shield support

TD355

B

于海湧(1960-),男,1989年獲中國礦業(yè)大學(xué)博士學(xué)位,1999年獲英國Leeds大學(xué)博士學(xué)位,我國第一個(gè)研究放頂煤開采的博士,提出的“放頂煤橢球體理論”體系已被廣泛應(yīng)用。

(責(zé)任編輯 張艷華)