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        大傾角煤層綜采液壓支架選型研究

        2018-11-01 05:45:00劉彥君
        山東煤炭科技 2018年10期
        關(guān)鍵詞:煤壁選型巖層

        劉彥君

        (西山煤電(集團(tuán))山西支護(hù)器材開發(fā)有限責(zé)任公司,山西 太原 030053)

        1 礦井概況

        西銘礦地質(zhì)構(gòu)造比較簡單,多數(shù)煤層開采屬于緩傾斜或近水平開采,煤層厚度變化不大,頂板管理較簡單,液壓支架選型比較容易,不同采區(qū)煤層開采液壓支架的選型可利用原有支架的選型經(jīng)驗(yàn)。

        該礦29203工作面正常推進(jìn)390 m時(shí),礦壓顯現(xiàn)比較明顯,煤壁剪切破壞現(xiàn)象增多,液壓支架明顯已不適用目前的開采狀況。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告可知,工作面繼續(xù)向前推進(jìn)時(shí)有一比較發(fā)育的褶皺,導(dǎo)致煤層開采的傾角發(fā)生很大變化。為保證工作面順利推進(jìn)通過特殊的地質(zhì)構(gòu)造,必須對液壓支架重新進(jìn)行研究,選擇適用于該地質(zhì)條件的支護(hù)體系。

        本文采用理論計(jì)算加數(shù)值分析相結(jié)合的方法,對工作面遇到特殊地質(zhì)構(gòu)造條件煤層傾角發(fā)生大的變化時(shí)工作面液壓支架的選型進(jìn)行研究,且通過在線監(jiān)測的方法,對液壓支架的適用性進(jìn)行分析,保證液壓支架的選型合理、安全。

        2 煤巖層地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)

        該礦煤巖層共有9層,其中,29203工作面開采厚度平均為3.6 m,遇到褶皺時(shí)煤層傾角可達(dá)55°。煤巖層力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

        3 液壓支架選型

        3.1 支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算

        3.1.1 理論計(jì)算

        液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)支架工作阻力進(jìn)行計(jì)算,對于大傾角煤層工作面開采時(shí)支架的支護(hù)強(qiáng)度采用如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算:

        式中:

        Pt-工作面合理的支護(hù)強(qiáng)度,kN/m2;

        h-放頂煤開采時(shí)放頂高度,此處取13.4 m;

        ρ-頂板平均密度,取值1490 kg/m3。

        k-工作面上覆巖層的采厚比,大傾角開采時(shí)可取 1/3~1/2。

        帶入數(shù)據(jù),經(jīng)計(jì)算可知工作面液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度為0.6 MPa。

        表1 煤巖層力學(xué)性質(zhì)

        3.1.2 相似模擬試驗(yàn)法

        根據(jù)29203工作面的地質(zhì)條件,建立FLAC3D數(shù)值模擬彈性模型,利用庫倫摩爾準(zhǔn)則,模擬開挖過程的應(yīng)力、應(yīng)變的變化,從而得出該模型下應(yīng)力的變化規(guī)律,結(jié)合此規(guī)律,模擬不同支護(hù)強(qiáng)度下頂板位移的變化,進(jìn)而得出最優(yōu)的支護(hù)強(qiáng)度。

        FLAC3D數(shù)值模型參照表1的煤巖層力學(xué)性質(zhì)表,建立長×寬×高=800×500×1000m的模型,對綜放工作面開挖過程中應(yīng)力分布規(guī)律,以及采取不同支護(hù)強(qiáng)度下頂板位移的變化情況進(jìn)行研究,模型及應(yīng)力變化如圖1所示。

        圖1 數(shù)值模擬模型

        由圖1可知,模型開挖過程中應(yīng)力的分布為自上而下遞增。液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度對頂板下沉量的影響也呈線性關(guān)系,支架的支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量的關(guān)系如圖2所示。

        圖2 控頂區(qū)支架支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量的關(guān)系

        圖2 中,s為支架到綜放工作面的距離,當(dāng)支架的支護(hù)強(qiáng)度為0.7 MPa時(shí),為控制頂板下沉量最經(jīng)濟(jì)與最合理的節(jié)點(diǎn),所以在距離工作面不同距離處,選擇支護(hù)強(qiáng)度為0.7 MPa的支架為29203工作面最合理的支護(hù)強(qiáng)度。

        3.2 支架初撐力選擇

        支架如果想較快發(fā)揮支撐作用,對頂板下沉量有明顯的控制作用,必須設(shè)置合理的初撐力,這樣有利于支架承受頂板來壓,防止煤巖層的離層,從而避免了早期頂板下沉量較大,下沉速度較快。

        支架的初撐力F的計(jì)算可根據(jù)下式:

        式中:

        Lα-支架寬度,m;

        -頂板梁的長度,m;

        -第一分層老頂梁的長度,m;

        γ0-煤層平均密度,kg/m3;

        h-頂煤厚度,m;

        h1-直接頂厚度,m;

        γ-巖石密度,kg/m3。

        帶入數(shù)據(jù),可知初撐力F為3801 kN。

        3.3 支架技術(shù)參數(shù)選擇

        根據(jù)本礦遇到的實(shí)際地質(zhì)條件,結(jié)合相關(guān)技術(shù)參數(shù),29203工作面中部選用的液壓支架型號為ZF3800/17/28,為支撐掩護(hù)式液壓支架,支架高度為1.6~3.6 m可調(diào),架體整體性較好,抗扭能力強(qiáng),支架連桿間距為1.25 m,支護(hù)、推移、架設(shè)方便,人行通道比較寬敞,工作阻力為3820 kN,支護(hù)強(qiáng)度為0.74 MPa,支架前端的伸縮梁長度達(dá)到0.7 m,可及時(shí)對暴露的頂板進(jìn)行支護(hù),減少了頂板直接暴露的時(shí)間,安全性較高。液壓支架技術(shù)參數(shù)詳見表2。

        4 液壓支架適用性研究

        采用KJ21礦壓動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對29203工作面的礦壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,采煤工作面推進(jìn)470~540 m時(shí),對液壓之間的工作阻力進(jìn)行測量,并且繪制頻率分布直方圖,可形象地得出支架工作阻力的分布呈正態(tài)分布形式,為比較合理的狀態(tài),如圖3所示為工作阻力分布圖。

        表2 ZF3800/17/28型液壓支架其他技術(shù)參數(shù)表

        圖3 支架工作阻力頻率分布直方圖

        對正?;夭蓵r(shí)煤壁前方塑性區(qū)分布進(jìn)行分析,可知,在0.74 MPa的支護(hù)強(qiáng)度下,煤壁前方塑性分布較合理,證明選擇的支架支護(hù)強(qiáng)度可滿足本工作面繼續(xù)開采的使用要求,如圖4所示為工作面煤壁前方塑性分布圖。

        圖4 煤壁前方塑性區(qū)分布圖

        5 結(jié)論

        通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬對液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行分析,進(jìn)而確定了0.7 MPa左右的液壓支架支護(hù)強(qiáng)度比較合理,進(jìn)而根據(jù)地質(zhì)條件及煤層物理性質(zhì),選擇了適用于29203工作面的液壓支架,且經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證,選擇ZF3800/17/28型液壓支架時(shí)支架工作阻力分布合理,煤壁前方塑性分布合理,有利于安全、高效、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。

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