四柱式与两柱式放顶煤支架适用条件分析

于海湧 于海波 吴兆华

(天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013)

四柱式与两柱式放顶煤支架适用条件分析

于海湧 于海波 吴兆华

(天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013)

通过神东大柳塔煤矿应用的两柱式放顶煤支架和潞安屯留煤矿(余吾煤业公司)应用的四柱式放顶煤支架的矿压观测数据,分析了两种支架的理论支护效率和实际运行状态,提出了两种支架的适用条件,为今后各矿实施放顶煤开采选择合理的架型提供参考。

放顶煤 两柱掩护式支架 四柱支撑掩护式支架

自我国采用综合机械化放顶煤采煤方法以来,放顶煤液压支架架型由原来的高位和中位放煤口改为完全开放的低位四柱支撑掩护式支架架型。四柱支撑掩护式支架整体稳定性好,不仅适应近水平煤层,而且也适用于大倾角煤层开采;支架的4个立柱均支在顶梁上,使支架具有较大范围的受力平衡区,支架顶梁后端切顶力大,对顶煤的反复支撑有较大的影响范围,具有较好的对顶煤二次破碎能力。然而,放顶煤采煤法要求顶煤随着支架的前移能够自然破碎和垮落,顶煤的超前垮落往往使这种四柱放顶煤支架的前后排立柱受载不均匀,导致支架支撑能力降低,尤其在软煤层开采时,支架后立柱有时还出现被“拔”的现象,大大影响了支架的支撑效率。

为了克服和避免放顶煤支架在实际中可能出现的这种问题,2007年兴隆庄矿和澳大利亚澳思达矿开始试用两柱式放顶煤支架,到2010年底为止,已有神东保德矿、大柳塔矿,鄂尔多斯满世集团的灌子沟矿和平朔安家岭一号井采用了两柱掩护式放顶煤支架。实践表明,在开采石炭二叠纪煤层的保德矿、灌子沟矿和安家岭一号井均取得了良好的放顶煤开采效果。而在开采侏罗纪煤层的大柳塔矿,由于煤层偏硬,且节理裂隙不发育,采空区内的大块煤制约了放煤效果。本文根据神东大柳塔煤矿实际应用的两柱式放顶煤支架和潞安屯留煤矿(余吾煤业公司)的四柱式放顶煤液压支架工作面的矿压观测结果,论述两柱和四柱式放顶煤支架的应用基本条件。

1 实际综放工作面条件及效果

1.1 神东大柳塔煤矿

大柳塔08综放工作面可采厚度3～8.5 m,平均7.3 m,倾角1～3°,一般含夹矸一层,厚0.05～0.28 m,夹矸岩性为粉砂质泥岩、泥岩,煤层节理裂隙不发育,煤体单项抗压强度20.07 MPa,工作面埋深平均为96 m,地表为第四系风积沙,通过对顶煤可放性综合评价得到大柳塔矿东部盘区煤层的顶煤冒放性为一般,即顶煤在矿山压力作用下能够自行垮落,但块度大,不易放出。

工作面支架选用ZFY10200/25/42型两柱掩护式放顶煤支架,支架高度变化在2.5～4.2 m,额定工作阻力10200 kN,支架结构如图1所示。采煤机为艾可夫(EICKHOFF)公司SL750型采煤机,前后刮板输送机为SGZ1000/2×1000大功率型输送机。

图1 ZFY10200/25/42型两柱掩护式放顶煤支架

1.2 潞安屯留煤矿

屯留矿S2202综放工作面开采石炭二叠系山西组的3#煤层,煤层厚度稳定,为5.34～7.25 m,平均6.24 m;煤层倾角为0～14°,3#煤层单向抗压强度为6.91～12.63 MPa,属于软煤层,直接顶一般为泥岩、粉砂质泥岩,底板为黑色泥岩、粉砂岩。通过对顶煤可放性综合评价可知屯留矿3#煤层顶煤的冒放性良好,即顶煤随采随垮,且垮落的块度不大,易于放出。

工作面支架选用ZF7000/19.5/38型四柱支撑掩护式放顶煤支架,支架采高变化在1.9～3.8 m,额定工作阻力7000 kN,支架结构如图2所示。采煤机为MGTY400/900-3.3D型采煤机,前后刮板输送机均为SGZ900/2×700型中双链铸焊封底式刮板输送机。

图2 四柱支撑掩护放顶煤支架

2 支架支护效率分析

2.1 两柱掩护式支架支护效率

两柱掩护式支架在放顶煤工作面通过支架平衡千斤顶调节顶梁仰角的变化,使支架适应外部载荷,从而达到理想的支护效果。

对于ZFY10200/25/42型两柱掩护式放顶煤支架,支架受力状态如图3(a)所示,支架顶梁外载合力与立柱工作阻力、平衡千斤顶工作阻力及掩护梁外载的受力状态分解如图3(b)和3(c)所示。

图3 两柱掩护式放顶煤支架力学特性分析模型

支架顶梁受力载荷为:

式中:Q——顶板合外力,kN;

P——立柱工作阻力,kN;

Z——平衡千斤顶工作阻力,kN,推为正值,拉为负值;

f——顶梁与顶板间摩擦系数;

W——掩护梁上所受的外力,kN。

其余为支架结构参数,见图1。

根据图1可知大柳塔矿放顶煤支架ZFY10200/25/42在3.8 m采高时,其支架结构参数分别为:α=6°,β=25°,h=6 mm,b=2659 mm,LZ=1680 mm,c=1187 mm。

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

则:

由式(2)可知,支架立柱的工作阻力P只有86.57%用于支撑顶梁载荷Q和克服平衡千斤顶内力Z。已知该支架额定工作阻力P为10200 kN,平衡千斤顶额定推力1953 kN,则支架最大对顶板的支撑力Q为8474.5 kN。

由此说明,尽管ZFY10200/25/42支架额定工作阻力为10200 kN,但由于支架结构的限制,对顶板最大只能提供8474.5 kN的支撑力,所以该支架最大有效支撑效率仅为83.1%。

2.2 四柱支撑掩护式支架支护效率

四柱式放顶煤支架的前后立柱均支在顶梁上,支架在升降过程中基本能保持顶梁处于水平状态,大大减少了支架的高射炮工作状态,从而达到理想的支护效果。

对于ZF7000/19.5/38型准大采高放顶煤液压支架,其支架受力状态如图4(a)所示,支架顶梁外载合力与立柱工作阻力及掩护梁外载的分解受力状态如图4(b)和4(c)所示。

将(3)、(4)式代入(5)式,得:

式中:Q——顶板合外力,kN;

P1、P2——支架前后立柱工作阻力,kN;

f——顶梁与顶板间摩擦系数,取0.2;

W——掩护梁上所受的外力,kN;

其余为支架结构参数,见图4所示。

根据图4可知屯留矿放顶煤支架ZF7000/19.5/38在3.6 m采高时,其支架结构参数分别为:α1=7°,α2=4°,h=96 mm,b=2665 mm,c=980 mm。

由式(7)可知,P1+P2是支架总体工作阻力,ZF7000/19.5/38支架对顶板的有效支撑力能达到6230 kN,支架最大理想有效支撑效率为89%。比ZFY10200/25/42型两柱掩护式放顶煤支架支护效率高6个百分点,这主要是四柱式支架不存在平衡千斤顶的问题,没有内消耗。

图4 四柱支撑掩护式放顶煤支架力学特性分析模型

3 实际观测数据分析

3.1 两柱放顶煤支架实际观测

为了掌握两柱放煤支架在大柳塔矿实际放顶煤开采过程中的受力状态,对支架立柱和平衡千斤顶上腔压力和下腔压力都进行了实际观测,见图5。

通过数据整理可知:支架在周期来压过程中平均工作阻力达到8151 kN,为支架额定工作阻力的80%。

图6是工作面中部的81#支架平衡千斤顶上腔和下腔在2009年5月11-13日的实际运行变化曲线。在正常支架工作状态下,支架平衡千斤顶上腔和下腔都处于带压工作状态,从而使支架处于相对平衡状态。由图6可见,大柳塔矿08放顶煤工作面的两柱支架的平衡千斤顶的上腔压力(活塞杆腔)大于下腔压力(活塞腔),平衡千斤顶处于受拉工作状态,表明顶板外力合力常作用在平衡千斤顶的顶梁支点附近及支架后铰接点,这是中硬或坚硬煤层垮落时所具有的明显特点。

图5 支架立柱和平衡千斤顶压力变化观测

表1 工作面周期来压时平衡千斤顶上、下腔压力变化

实际上,支架平衡千斤顶上腔和下腔的差值即为对顶梁的支撑力或拉力。下腔压力减去上腔压力大于零,即平衡千斤顶对顶梁具有支撑力,反之,平衡千斤顶对顶梁具有拉力。大柳塔矿ZFY10200/25/42型两柱掩护式放顶煤支架在实际使用过程中,平衡千斤顶上腔与下腔的平均压力差为314.28 kN,表明该支架破坏千斤顶常处于受拉工作状态,这是由于顶煤存在一定悬顶造成的。

根据支架立柱和平衡千斤顶实际观测数据可知,ZFY10200/25/42型两柱掩护式放顶煤支架最大的实际支撑外部载荷Q为7014 kN。

为此,支架的实际支护效率平均为68.7%,表明该支架未能真正发挥其支护效率。

3.2 四柱放顶煤支架实际观测

对于四柱放顶煤支架主要进行常规的支架前后立柱压力变化观测,在屯留矿S2202放顶煤工作面支架来压时采用平均压力值,前柱3013 kN,后柱2352 kN,整架5365 kN。

根据支架立柱实际观测数据可知,ZF7000/19.5/38型四柱支撑掩护式放顶煤支架在屯留矿S2202工作面运行过程中最大的实际支撑外部载荷Q为4775 kN。

因此,该支架的实际支护效率平均为68.2%,也没有充分发挥支架的支护能力。此外,支架前柱工作阻力比后柱工作阻力高657 kN,反映了支架实际顶板载荷合力作用点常常作用在前立柱附近,表明S2202工作面顶煤和顶板都比较破碎,顶煤垮落线经常超过支架后铰接点,顶煤垮落角有大于90°的现象,这是软顶煤垮落时所具有的明显特征。

图6 工作面中间81#支架

4 结论

(1)两柱掩护式放顶煤支架克服了四柱支撑掩护式放顶煤支架前后立柱受力不均的缺陷,同时提高了机道上方的支护能力。

(2)在理论上两柱掩护式放顶煤支架对顶板的支护效率为83%,而四柱支撑掩护式放顶煤支架可达到89%,比两柱式支架高6个百分点,同时具有较强的对顶煤二次破碎能力。

(3)两柱掩护式放顶煤支架适用于软煤层或中硬偏下煤层放顶煤开采,而四柱支撑掩护式放顶煤支架更适应中硬偏上煤层放顶煤开采。

[1] 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003

[2] 王国法.两柱掩护式放顶煤液压支架设计研究[J].煤炭科学技术,2003(4)

[3] 王彪谋,郭昊峰.四柱放顶煤液压支架主要技术问题研究[J].煤矿开采,2009(10)

[4] 杨培举.平衡千斤顶对放顶煤两柱掩护支架适应性的作用[J].采矿与安全工程学报,2007(9)

[5] 王光伟.两柱掩护式低位放顶煤支架的应用及研究[J].煤矿机械,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年获中国矿业大学博士学位,1999年获英国Leeds大学博士学位,我国第一个研究放顶煤开采的博士,提出的“放顶煤椭球体理论”体系已被广泛应用。

(责任编辑 张艳华)