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        一種大工作阻力兩柱式放頂煤液壓支架的設(shè)計(jì)

        2021-10-11 07:06:12郭利新
        2021年10期
        關(guān)鍵詞:支架

        郭利新

        (晉能控股裝備制造集團(tuán) 煤炭技術(shù)裝備公司,山西 長(zhǎng)治 046204)

        放頂煤開(kāi)采技術(shù)是潞安化工集團(tuán)所屬各礦煤炭生產(chǎn)中采用的主流技術(shù),其工作面普遍使用四柱放頂煤液壓支架。此類液壓支架結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜、移架速度慢、與電液控制系統(tǒng)配套適應(yīng)性差,并普遍存在支架前后立柱受力不均衡、工作阻力利用率低、支架結(jié)構(gòu)件易損壞等問(wèn)題。為克服傳統(tǒng)四柱放頂煤液壓支架存在的問(wèn)題,適應(yīng)電液控系統(tǒng)的配套,研究?jī)芍彭斆阂簤褐Ъ芘c圍巖的相互作用,更好地控制頂板實(shí)現(xiàn)高效開(kāi)采,探索一種適合潞安化工集團(tuán)使用的兩柱放頂煤新型主流架型,配合高端電液控制系統(tǒng),使工作面生產(chǎn)向自動(dòng)化方向發(fā)展,已成為當(dāng)前煤礦急需解決的重要課題。為潞安化工集團(tuán)五陽(yáng)煤礦研制出的高工作阻力兩柱式放頂煤液壓支架,很好地解決了四柱放頂煤液壓支架存在的上述問(wèn)題。

        1 工作面煤層賦存條件

        五陽(yáng)煤礦3號(hào)煤層位于山西組中下部,擴(kuò)區(qū)內(nèi)穿過(guò)其層位的鉆孔全部可采,下距8-1號(hào)煤層平均間距為41.16 m。煤層厚度為1.99~6.91 m,平均厚度為5.54 m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,局部下部含夾矸1層,偶含2層,夾矸厚度為0~0.80 m,一般為0.18~0.40 m,巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖。401號(hào)鉆孔3號(hào)煤層厚度為1.99 m,變薄為沉積所致。工作面埋深530~650 m,煤厚5.7 m,運(yùn)輸巷長(zhǎng)1 822 m,回風(fēng)巷長(zhǎng)1 786 m,切眼長(zhǎng)度288 m。老頂為細(xì)粒砂巖及中粒砂巖,厚5.55~7.05 m,平均6.30 m;直接頂為砂質(zhì)泥巖,厚2.32~3.97 m,平均3.15 m;偽頂為炭質(zhì)泥巖,厚0.20~0.30 m,平均0.25 m;直接底為砂質(zhì)泥巖,厚1.29~4.53 m,平均2.91 m,老底為砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖及泥巖,厚4.90~6.35 m,平均5.63 m。

        2 支架選型設(shè)計(jì)

        1) 架型選擇。目前,該礦綜采工作面主要采用四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好,適用于傾角較大的工作面;前后柱隨合力作用點(diǎn)的變化,容易產(chǎn)生受力不均,造成后柱不受力,進(jìn)而降低支架的支撐效率;并且四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架布置千斤頂、閥組、管路多而復(fù)雜,不利于實(shí)現(xiàn)支架電液及自動(dòng)化控制。隨著高產(chǎn)高效、智能化礦井的建設(shè),為更好地適應(yīng)綜放工作面自動(dòng)化、智能化的發(fā)展,適應(yīng)綜放工作面高效集約化生產(chǎn),針對(duì)此類現(xiàn)象,結(jié)合礦井地質(zhì)條件,該礦設(shè)計(jì)了一種ZFY10000/21/40D型兩柱式放頂煤液壓支架。該支架與圍巖的適應(yīng)性好,工作阻力循環(huán)變化呈現(xiàn)增阻狀態(tài),支護(hù)效率高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,千斤頂、閥組、管路布置簡(jiǎn)化,有利于實(shí)現(xiàn)支架的電液及自動(dòng)化控制,提高綜放工作面效率。平衡千斤頂位置設(shè)置合理,提高了支架梁的端力,有利于防止頂板片幫或冒頂,強(qiáng)化了頂板的維護(hù)能力。

        2) 支架支護(hù)強(qiáng)度及工作阻力確定。根據(jù)載荷估算法、基于“關(guān)鍵層”理論的支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算法、數(shù)值模擬法和工程類比法,綜合分析合理支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果,建議3號(hào)煤層工作面液壓支架的合理支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)不小于1.1 MPa,支架工作阻力10 000 kN。該礦以前使用過(guò)的ZF8000/20/38型液壓支架,整體效果良好,但工作阻力富裕量不足,工作面回采過(guò)程中將遇到斷層帶、小構(gòu)造等地質(zhì)條件異常的狀況,頂板破碎,巖層裂隙發(fā)育,礦壓顯現(xiàn)也可能出現(xiàn)異常,此時(shí)需加強(qiáng)頂板管理、加強(qiáng)設(shè)備維護(hù),保障支護(hù)質(zhì)量,防止工作面出現(xiàn)頂板下沉量大,甚至壓死支架等問(wèn)題。

        根據(jù)配套尺寸、支架頂梁長(zhǎng)度、空頂距算出支架工作阻力:

        式中:P為綜采工作面額定支護(hù)強(qiáng)度,MPa;L為控頂距(含頂梁長(zhǎng)度和梁端空頂距),m;BC為支架寬度,m;η為支撐效率,取0.92。

        根據(jù)前述分析結(jié)果,支護(hù)強(qiáng)度取1.1 MPa,控頂距取5.3 m,支架寬度取1.5 m,代入公式得:

        F≥9 505.4 kN;

        根據(jù)支護(hù)強(qiáng)度、控頂距、支架中心距、支護(hù)效率和立柱缸徑,建議支架工作阻力為10 000 kN。

        綜合考慮五陽(yáng)煤礦煤層賦予條件、支護(hù)強(qiáng)度、工作阻力,以及兩柱放頂煤液壓支架的發(fā)展趨勢(shì)和可靠性,最終選定高工作阻力的ZFY10000/21/40D型兩柱放頂煤液壓支架,見(jiàn)圖1。

        圖1 兩柱放頂煤液壓支架結(jié)構(gòu)示意(mm)

        3 支架的主要技術(shù)參數(shù)

        1) 支架型號(hào):ZFY10000/21/40D;支護(hù)高度:2 100~4 000 mm;支架寬度:1 680~1 880 mm;支架中心距:1 750 mm;初撐力:7 145 kN;工作阻力:10 000 kN;平均支護(hù)強(qiáng)度:1.1 MPa;對(duì)底板平均比壓:2.72 MPa;推移步距:800 mm;操縱方式:電液控制。

        2) 主要千斤頂規(guī)格:立柱:一級(jí)D380/270 mm,二級(jí)D355/240 mm;平衡千斤頂:D230 mm;推移千斤頂:D180 mm,前梁千斤頂:D230 mm;尾梁千斤頂:D180 mm。

        3) 配套設(shè)備為:采煤機(jī):MG400/930-WD;前、后刮板輸送機(jī):SGZ1000/2×1200;轉(zhuǎn)載機(jī):SZZ1200/400;破碎機(jī):PLM3500。

        4 支架總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        ZFY10000/21/40D型兩柱放頂煤液壓支架,具有以下特點(diǎn):

        1) 支架設(shè)計(jì)采用D380 mm缸徑雙伸縮立柱,工作阻力大,對(duì)頂板的支撐力大。

        2) 支架采用頂梁加回轉(zhuǎn)前梁結(jié)構(gòu),前梁采用D230 mm千斤頂,增大前部承載力,有效支撐前端頂板壓力。

        3) 支架前梁兩側(cè)安裝側(cè)護(hù)板,通過(guò)推動(dòng)活動(dòng)側(cè)護(hù)板,縮小相鄰支架前梁之間間隙,有效防止漏煤傷人事故。

        4) 支架頂梁柱窩處前后比為2.02,保證合理的支架合力作用點(diǎn)位置。

        5) 支架設(shè)計(jì)用1個(gè)D230 mm的平衡千斤頂,布置在立柱中間位置,平衡千斤頂工作阻力達(dá)到1 578 kN和814 kN,平衡千斤頂調(diào)節(jié)能力大,能較好地適應(yīng)頂板合力作用點(diǎn)位置的變化。

        6) 支架采取雙前連桿、單后連桿結(jié)構(gòu),可靠性高,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。后連桿為單連桿,使得后部空間相對(duì)較大,并且底座鉸接點(diǎn)位置較高,也增大了后部空間,有利于后部設(shè)備的安裝與維修。

        7) 支架推移千斤頂采用D180 mm倒裝式,帶有行程傳感器,推移桿為長(zhǎng)推桿結(jié)構(gòu)形式,增加拉架力。

        8) 底座為分體式剛性結(jié)構(gòu),底座上設(shè)有抬底和底調(diào)機(jī)構(gòu),抬底和底調(diào)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,拆卸方便。

        9) 支架后部過(guò)煤高度大。

        10) 支架采用雙側(cè)活動(dòng)側(cè)護(hù)板,側(cè)推千斤頂為內(nèi)進(jìn)液式。

        11) 支架采用電液控制系統(tǒng),大流量供液系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了快速移架,可提高生產(chǎn)效率。

        12) 支架采取高強(qiáng)度、高可靠性設(shè)計(jì),各結(jié)構(gòu)件主要采用Q690高強(qiáng)度鋼板,有效地減輕了支架的重量。

        5 結(jié) 語(yǔ)

        通過(guò)五陽(yáng)煤礦對(duì)兩柱式放頂煤架型試驗(yàn)案例分析,證明該大工作阻力兩柱式放頂煤液壓支架的設(shè)計(jì),能克服四柱式放頂煤液壓支架存在的缺陷,具有支護(hù)性能高、端面控頂效果好、移架速度快、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn),是綜放工作面支架架型的發(fā)展趨勢(shì)。

        但是,由于各礦習(xí)慣使用四柱結(jié)構(gòu)形式放頂煤液壓支架,兩柱放頂煤液壓支架為新型液壓支架,尚未被煤礦廣泛接受,市場(chǎng)推廣有待時(shí)日。

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