摘要:根据济宁二号矿井主采煤层3上煤层地质构造条件和矿井的发展现状,分析了在液
压支架选型时应注意的工艺问题和技术参数,说明了适应该煤层工作面高产高效综采液压支架应具有的技术工艺和今后的发展方向,为中厚煤层的高产高效开采使用的液压支架提供了理论基础。
关键词:中厚煤层;高产高效工作面;液压支架;工艺研究
0 概况
济宁二号矿是设计产量400万t/a的特大型现代化矿井。矿区主采煤层为3层。其中3上煤层可采储量9 546.8万t,煤层厚度变化较大,为0~6.0m,平均2.1 m,煤层可采范围主要分布在井田中部和西部。在设计采区(二采区和九采区)内,3上煤层赋存较稳定,煤层结构简单。随着矿井开采范围的不断扩大和生产能力的不断提高,3上煤层的合理开采问题已是当务之急。井田内可供布置回采的工作面有100多,3上煤层的合理开采不仅影响到3下煤层的合理开采,而且也影响济宁二号矿的持续高产稳产和矿井高产高效。解决适应该煤层工作面高产
高效综采液压支架工艺问题,是实现工作面高产高效的技术关键。
1 采区地质条件
3上煤层是济宁二号井第1水平主采煤层之一,可采储量9 546.8万t。其中,九采区可采储量996.96万t、二采区可采储量792.6万t。分别占矿井3上煤层可采储量的10.4%和8.3%。
(1)二采区
3上煤层厚度0•89~2•97 m,平均煤厚1•82 m,煤层结构简单,采区东部局部含薄层泥岩夹矸。采区西部(23下05面切眼处)为3上、3下煤层合并区,煤厚达8•96 m;采区中部3上煤层厚度稳定在2•3m。3上、3下煤层间距0~40 m,自合并区边缘向四周增厚。断层构造不发育,大中型断层较少,地质及水文条件相对简单。二采区3上煤层工业储量990•5万t,可采储量792•6万t。其中,煤厚1•5~2•5 m的煤层工业储量810•5万t,可采储量648•4万t,且分布连续,具有开采价值。
(2)九采区
3上煤层厚度0~4•51 m,平均1•31 m;煤层结构简单至复杂,含夹石0~2层,岩性为泥岩或炭质泥岩;煤层南薄北厚,区内中部大面积3上煤层沉积缺失。北部发育-3上、3下煤层合并区;煤层变异系数91•3%。3上煤层局部有厚0•08 m的炭质泥岩伪顶。九采区3上煤层,工业储量1 246•1万t,可采储量996•96万t。其中,煤厚在1•5~2•5 m的煤层工业储量503•3万t,可采储量402•6万t,可布置开采。
2 架型的选择
液压支架应有良好的结构功能和支护性能,并能及时维护顶板,防止端面顶板的冒漏,同时能有效地支撑顶板,适应3上煤层赋存条件和矿压特点。液压支架选型应考虑顶底板稳定性、煤层厚度、倾角、煤层赋存状况及瓦斯含量等。其中以煤层及其顶板稳定性影响最大。参照3下煤层已开采工作面的底板分类结果,对照3下、3上煤层的围岩条件,可得出3上煤层直接
顶为中等稳定顶板,老顶为ii级来压明显。依据中华人民共和国煤炭行业标准mt554-1996《缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类》,该煤层围岩属易控围岩。
2•1 支撑掩护式支架主要特点及适应范围
(1)由于有2排立柱,顶梁和底座都较长,通风断面大,但整架运输不方便,采煤工作面的开切眼宽度要求较大。
(2)立柱的支撑效率较低,左、右柱的载荷有差别,前、后柱载荷往往差别较大,有时后柱甚至无荷载。
(3)支架的伸缩值一般不超过2 m,适应煤层厚度的变化能力较小。
(4)由于立柱多,立柱与顶梁和底座为铰连接,允许有一定量的摆动,顶梁长,在有角度的工作面使用时,顶梁向倾斜下方的摆动量大,不适于角度过大的工作面。
(5)支架的支撑合力距切顶线近、切顶能力强,适用于较稳定的顶板。
(6)重量较大、造价较高。
(7)底座对底板比压均匀,且底座前端的比压小,容易移架。
(8)该架型一般适用坚硬顶板及部分中等稳定顶板。
2•2 二柱掩护式支架结构特点及适用范围
(1)单排立柱支撑。加之平衡千斤顶的作用,支撑合力距离煤壁较近,可有效防止端面顶板的早期离层和破坏。
(2)平衡千斤顶可调节合力作用点的位置,增强了支架对难控顶板的适应性。
(3)控顶距小。顶梁较短,对顶板的反复支撑次数少,减少了对直接顶板的破坏。
(4)伸缩比较大,一般可达2•4 m左右。适应煤层厚度的变化能力强。
(5)顶梁和底座较短,稳定性较好,便于运输、安装和拆卸。
(6)重量较支撑掩护式轻,投资少。
(7)支架能经常给顶板向煤壁方向以推力,有利于维护顶板的完整。
(8)液压控制系统较简单,管路短,有利于提高移架速度。
(9)底座前端对底板的比压大,一般不适用于软底板的采煤工作面,如果配备抬底结构,也可适用于这类工作面。
(10)支撑合力距切顶线稍远,切顶能力不够强。
(11)支架动作不够直观,要求操作人员对平衡千斤顶的功能有所了解。
(12)该种架型适用于破碎顶板及部分中等稳定顶板,且对煤层变化较大的工作面适应性较强。根据以上分析及本矿地质条件,选用两柱掩护式液压支架。
3 支架主要参数的确定
(1)支架的高度
设计采区煤层开采厚度在1•5~2•5 m,取支架最大支撑高度范围为1•35~2•8 m。
(2)支架合理工作阻力的确定根据顶板情况计算额定支护强度ps=72•3hm+4•5lp+78•9bc-10•24n-62•1=592 kpa
式中hm———采高,取hm=2•8 m;
lp———基本顶周期来压步距,取lp=22 m;
bc———控顶距,取bc=4•5 m;
n———充填系数,n=hi/hm;
hi———直接顶厚度,取himin=0•6 m。
再根据额定支护强度确定支架合理工作阻力
q=psb(bc+b)/ks= 5 746 kn
式中b———支架中心距,取b=1•5 m;
b———移架步距,取b=1 m;
ks———液压支架支撑效率,取ks=0•85。
根据以上计算,按高产高效高可靠性原则,取支架额定工作阻力应不小于6 000 kn。
(3)支架供液系统
为了提高支架的推移速度,支架需配备大流量控制系统,即控制立柱及推移千斤顶的操纵阀及单向阀均选用流量为400 l/min的大流量阀。同样,供液用的泵站也选用大流量泵。工作面配套设备供液系统共用泵5台,液箱3个,其中grb315/31•5型乳化液泵3台,乳化液箱2个,供液压支架操纵阀,实现支架升、降、移等动作:kpb315/16型喷雾泵2台、水箱1个,供工作面喷雾。目前,电液控制液压支架在很多矿井广泛使用。采用电液控制会加快支架的动作速度,提高自动化程度,减少操作劳动量,提高效率,增强安全保障功能。检测技术和计算机技术的应用提高了支架工况和控制过程的信息化程度和监视功能。电液控制取代手动液压控制将减少(人工)控制的随意性和不准确性,提高控制质量。电液控制提供的控制方式的可调性使支架动作更合理,适应性更强。
4 两柱掩护式液压支架的主要结构特点
(1)单排立柱支撑。加之平衡千斤顶的作用,支撑合力距离煤壁较近,可有效防止端面顶板的早期离层和破坏;
(2)平衡千斤顶可调节合力作用点的位置,增强了支架对难控顶板的适应性;
(3)控顶距小,顶梁较短,对顶板的反复支撑次数少,减少了对直接顶板的破坏;
(4)伸缩比较大,可达到2•15,适应煤层厚度的变化能力强;
(5)顶梁和底座较短,稳定性较好,便于运输、安装和拆卸;
(6)重量较支撑掩护式轻,投资少;
(7)支架能经常给顶板向煤壁方向以推力,有利于维护顶板的完整性;
(8)液压控制系统较简单,管路短,有利于提高移架速度;
(9)采用优化设计,确定支架的总体参数和主要部件的结构尺寸,并利用计算机模拟试验进行受力分析和强度校核,确保支架的可靠性;
(10)移架速度快,支架每移一个循环可达12 s;
(11)支架的顶梁带有护帮板,能对煤帮进行及时支护,有效抑制架前片帮;
(12)为了提高支架的可靠性,支架的结构形式和元部件均采用了成熟可靠的技术;
(13)支架采用分体底座,有利于底座中档排浮煤,为顺利移架提供保证;
(14)采用铰接式长推杆机构,充分发挥了推移千斤顶的能力,增大了推杆的适应能力;
(15)底座前端对底板的比压大,一般不适于软底板的采煤工作面,但本支架配备了抬底结构,可适用于这类工作面;
(16)支撑合力距切顶线稍远,切顶能力不够强;
(17)该种架型适用于破碎顶板及部分中等稳定顶板,且对煤层变化较大的工作面适应性较强。
5 支架受力分析
微机环境下液压支架模拟试验系统是由天地科技股份有限公司开采所事业部开发研制的,是利用计算机的硬件平台和软件系统,按照原煤炭部颁布的mt312-92《液压支架通用技术条件》指定的加载条件,用计算机对支架的强度进行模拟试验。模拟试验可以比型式试验更直观、快速、全面地给出可视化的整架、部件和关键零件的应力等值线图和位移等值线图。模拟试验系统可成为液压支架设计研究、型式试验的重要辅助手段。模拟试验可以在还没有样机而只有设计图纸的情况下进行。模拟试验和液压支架cad设计的组合,可以大大提高支架设计的质量和可靠性,并缩短设计周期。通过模拟试验可视化的结果,可以对设计进行优化,改善支架结
构,减轻支架重量,提高支架的使用寿命,这是液压支架设计的发展模式,将会产生显著的经济效益和社会效益。
6 液压支架的发展趋势
液压支架是综采工作面主要设备之一,近10 a来主要的发展趋势是向两柱掩护式和四柱支撑掩护式2种架型发展,架型结构进一步完善,设计方法更先进,参数向高工作阻力、大中心距(1•75 m、2 m)发展,结构件材料越来越多地采用高强度钢材,例如屈服极限700 mpa以上的钢板,支架的寿命和可靠性要求大大提高,有些公司还要求支架的耐久性试验循环次数达50 000次。支架的寿命达14 a以上。高产高效工作面对液压支架的要求之一是支架的高可靠性。液压支架是综采设备中数量最多、投资最大的关键设备,其可靠性的高低直接影响综采工作面的产量、效率和安全,因此,提高支架的可靠性,保持设备的功能、性能、寿命和成本的平衡,是提高综采工作面长时间正常运转的关键。
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