ZZ18 000/26/52四柱支撐掩護(hù)式支架工作阻力的計(jì)算

郭文孝

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外煤礦的綜采工作面搬家倒面工藝大多采用傳統(tǒng)的搬家工藝，即綜采支架回撤通道的頂板支護(hù)大多采用單體液壓支柱、工字鋼和道木維護(hù)頂板，這種支護(hù)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力、勞動(dòng)強(qiáng)度大、浪費(fèi)木材且支護(hù)高度、支護(hù)速度、自動(dòng)化程度、可操作性、安全性等方面都不能適應(yīng)高產(chǎn)高效綜采面快速搬家倒面的要求。傳統(tǒng)的綜采搬家支護(hù)工藝已成為制約綜采技術(shù)高產(chǎn)高效的一個(gè)重要因素，許多煤礦迫切需要改變當(dāng)前的搬家臨時(shí)支護(hù)方式。針對(duì)上述問(wèn)題我們結(jié)合“內(nèi)外輔巷多通道” 回撤新工藝，為神東公司研制了搬家專用回撤巷道支護(hù)支架(垛式支架)，實(shí)現(xiàn)對(duì)回撤通道頂板的主動(dòng)臨時(shí)機(jī)械化支護(hù)，回撤設(shè)備以及人員提供安全作業(yè)空間，節(jié)省成本、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于提高綜采支架回撤效率與作業(yè)安全性，具有重要的推廣價(jià)值。

1 礦區(qū)基本情況

神東公司萬(wàn)利礦區(qū)主要開采井田內(nèi)可采煤層6層，自上而下為2-2、3-1、4-1上、4-1煤、4-2中5-1上煤層。其中5-1煤層為全井田主要可采煤層，首采工作面布置在4-1上煤層中，煤層厚度為1.6～2.4 m，平均厚為2 m。擬采用的主要設(shè)備有電牽引采煤機(jī)、電液控制液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)、順槽帶式輸送機(jī)等綜采設(shè)備。

1.1 煤層情況

4-1上煤層為中組煤最上一個(gè)可采煤層，傾角小于3°，Ⅲ盤區(qū)4-1上煤層可采面積約12.9 km2，Ⅲ盤區(qū)共有13個(gè)鉆孔，4-1上煤層適宜布置工作面范圍內(nèi)鉆孔平均厚度為1.84 m(1.7，2.07，1.05，2.0，2.05，1.6，1.79，2.24，2.03，2.23，2.39，2.28，0.45)，厚度相對(duì)穩(wěn)定。該煤層共劃分為13個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段工作面平均長(zhǎng)度均為360 m，工作面推進(jìn)方向長(zhǎng)度為3 433 m。分區(qū)段計(jì)算的回采煤量總計(jì)為20.7 Mt。

1.2 煤層巖性

4組煤共有3層可采煤層，即4-1上、4-1和4-2中,如表1所示。

表1 4組煤可采煤層情況

1.3 開采方法

采用全機(jī)械化長(zhǎng)壁采煤法開采，一次采全高，頂板管理采用全部垮落法，工作面走向長(zhǎng)度3 433 m，起伏角度不大于5°，一般1°～5°，工作面布置長(zhǎng)度360 m，傾角1°。工作面使用高產(chǎn)高效雙滾筒采煤機(jī)落煤，設(shè)計(jì)生產(chǎn)原煤能力不小于3 000 t/h。

1.4 巷道斷面

礦井輔助運(yùn)輸采用無(wú)軌膠輪車井上下直達(dá)運(yùn)輸，副斜井傾角5°，總長(zhǎng)度3 400 m，中間設(shè)兩個(gè)水平緩沖段，井筒斷面為凈寬5.0 m、墻高1.6 m的半圓拱形斷面；輔助運(yùn)輸大巷、回風(fēng)大巷均為凈寬5.0 m、高3.5 m的矩形斷面；回風(fēng)順槽為寬5.0 m，墻高3.5 m的矩形斷面；運(yùn)輸順槽為寬5.4 m，墻高3.5 m的矩形斷面。大巷及順槽均采用錨桿支護(hù)。

2 工作阻力計(jì)算

以往工作面搬家回撤通道采用ZZ11 000/20/40及ZZ15 000/25/55型垛式支架，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)主回撤通道及順槽支護(hù)強(qiáng)度偏低，導(dǎo)致部分區(qū)域出現(xiàn)頂板臺(tái)階下沉現(xiàn)象，為確保工作面設(shè)備回撤期間頂板的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)安全作業(yè)，宜采用高強(qiáng)度、高支護(hù)阻力的垛式支架。根據(jù)礦方實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)要求，垛式支架工作阻力不低于18 000 kN/架。為了適應(yīng)不同高度綜采支架的搬家倒面，提高垛式支架的使用性，根據(jù)轉(zhuǎn)龍灣礦的地質(zhì)條件及回撤工藝，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算綜合考慮，確定垛式支架工作阻力為18 000 kN，高度為2 600～5 200 mm。

2.1 根據(jù)跨落帶高度分析

垛式支架的支架支護(hù)強(qiáng)度可用以下公式計(jì)算：

P=K·Q

(1)

式中:P為工作面支架所需支護(hù)強(qiáng)度，MPa；K為基本頂失穩(wěn)時(shí)的動(dòng)載系數(shù)；Q為垮落帶巖層自重應(yīng)力，Q=γ·H，γ為頂板巖層容重，取25 kN/m，H為工作面垮落帶巖層高度。

工作面覆巖垮落帶最大高度采用下式計(jì)算。即：

(2)

式中:Mmax為煤層最大開采厚度；K為垮落巖石碎脹系數(shù)，一般為1.1～1.4，取1.15；α為煤層傾角，根據(jù)23303工作面資料，取最大3°。

將各參數(shù)代入，得P=1.44 MPa。

支架支護(hù)阻力為：

(3)

式中：P為工作面支架所需支護(hù)強(qiáng)度，MPa；L為支架控頂距，取5 m；B為支架寬度，1.62 m；η為支架支撐效率，取0.85。

將各參數(shù)代入，得F=13 772.24 kN<18 000 kN。

2.2 根據(jù)壓力平衡拱理論分析

采動(dòng)過(guò)程中采場(chǎng)上覆巖層的活動(dòng)范圍與工作面的長(zhǎng)度有一定關(guān)系，根據(jù)壓力平衡拱理論，工作面上覆巖層跨洛帶高度可以用式(4)表示：

(4)

式中：B為支架寬度，1.64 m；L為支架最大控頂距，4.6 m；γ為巖體容重，取25 kN/m3；K為動(dòng)載系數(shù)，取2；Ks為支架的支撐效率，取0.85。

上覆巖層冒落拱最大發(fā)哦度可按照下式計(jì)算：

(5)

式中：L為工作面長(zhǎng)度，295 m；f為頂板巖層的普氏硬度系數(shù)，取4.6。

將各參數(shù)代入，得支架支護(hù)強(qiáng)度P=1.61 MPa；支架工作阻力Fs=14 243 kN<18 000 kN。

綜合上述分析，垛式支架工作阻力可滿足安全生產(chǎn)要求。

3 支架的結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)

3.1 支架的結(jié)構(gòu)

四柱支撐掩護(hù)式液壓支架的架型結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。

圖1 四柱支撐掩護(hù)式支架

圖2 四柱支撐掩護(hù)式支架

3.2 技術(shù)參數(shù)

支架型式：四柱支撐掩護(hù)式

支護(hù)高度：2 550～5 000 mm

工作阻力：18 000 kN(Pk=44.2 MPa)

初撐力： 12 785 kN(P0=31.5 MPa)

平均支護(hù)強(qiáng)度：1.09 MPa (相對(duì)于3 m寬×5.5 m長(zhǎng)的頂板)

頂梁對(duì)頂板平均比壓： 2.18 MPa

底座對(duì)底板平均比壓： 3.16 MPa

頂梁結(jié)構(gòu)及尺寸(長(zhǎng)×寬)：剛性整體頂梁，5 000 mm×1 650 mm

底座結(jié)構(gòu)及尺寸(長(zhǎng)×寬)：整體底座，3 775 mm×1 640 mm

立柱: 4 根/架

型式:雙伸縮雙作用式

規(guī)格:φ360/φ340/φ270/φ230 mm

行程:2 460 mm

工作阻力(P=44.2 MPa): 4 500 kN

泵站額定供液壓力：31.5 MPa

供液管：DN20，工作壓力 38 MPa

運(yùn)輸尺寸：6 500×1 650×2 550 mm

操縱方式: 本架手動(dòng)控制

支架重量：約40.5 t

3.3 支架型式與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

ZZ18 000/25.5/50型液壓支架在架型上采用四根立柱前后排呈倒“八”字布置，單前連桿、整體后連桿的緊湊型四連桿機(jī)構(gòu)，適應(yīng)神東煤礦回撤巷道地質(zhì)條件。

該支架主要由頂梁、掩護(hù)梁、前后連桿、底座等焊接結(jié)構(gòu)件，以及立柱、抬底油缸、液壓控制系統(tǒng)組成；控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)為本架液壓控制系統(tǒng)。該支架具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、可靠性高、壽命長(zhǎng)等性能特點(diǎn)。支架架型采用了適合神東煤礦回撤巷道頂板條件的四連桿機(jī)構(gòu)，可有效地改善支架的受力工況。支架液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，維護(hù)安全方便。

4 垛式支架在回撤工藝中的布置

4.1 綜采面快速回撤巷道布置

在綜采工作面停采線處提前掘進(jìn)回撤通道與回撤輔運(yùn)順槽，通過(guò)多聯(lián)巷溝通，以實(shí)現(xiàn)快速回撤的目的。綜采面設(shè)備回撤按照通道支護(hù)-末采掛網(wǎng)-回撤三機(jī)、移變列車-回撤支架-結(jié)束的順序進(jìn)行，如圖3所示。

圖3 回撤通道布置方式

這種巷道布置方式的優(yōu)點(diǎn)：

1) 回撤工藝簡(jiǎn)單，操縱方便，安全通道多，避災(zāi)路線短，增加了工人的安全感；

2) 工作面頂板易于管理，實(shí)現(xiàn)回撤支架多頭平行作業(yè)；

3) 同時(shí)有由于預(yù)掘出工作面架前的回撤通道，并掛高強(qiáng)度網(wǎng)，縮短了撤架前的準(zhǔn)備時(shí)間。

4.2 垛式支架在回撤巷道的布置

綜采工作面支架在回撤時(shí)，從工作面中間向兩頭回撤(雙翼回撤)后，這樣就會(huì)在工作面端頭形成一個(gè)三角區(qū)空間，三角區(qū)支架用于綜采快速搬家工作面端頭三角區(qū)支護(hù)，代替之前在三角區(qū)部位支護(hù)的部分木剁，與回撤掩護(hù)支架配套使用，為人員和回撤設(shè)備提供安全作業(yè)空間，實(shí)現(xiàn)了巷道端頭頂板機(jī)械化支護(hù)。具體布置方式如圖4所示。

圖4 布置方式

采用內(nèi)外輔巷多通道快速回撤工藝配以“回撤端頭三角區(qū)掩護(hù)支架”可實(shí)現(xiàn)快速回撤的目的。綜采面設(shè)備回撤按照“通道支護(hù)——未采掛網(wǎng)——回撤三機(jī)、移變列車——回撤支架——結(jié)束”的順序進(jìn)行?；爻分Ъ軙r(shí)將綜采面工作支架分成幾段分別朝左右兩個(gè)方向回撤(即雙翼回撤)，實(shí)現(xiàn)多頭平行作業(yè)。綜采工作面支架回撤后就會(huì)在工作面端頭形成一個(gè)三角區(qū)無(wú)支護(hù)空間。ZZ9 000/20/40型回撤端頭三角區(qū)掩護(hù)支架用于搬家工作面端頭三角區(qū)頂板支護(hù)，代替之前在三角區(qū)部位支護(hù)的部分木垛和圓木，與端頭回撤掩護(hù)支架配套使用，為人員和回撤設(shè)備提供安全作業(yè)空間，實(shí)現(xiàn)了巷道端頭頂板機(jī)械化支護(hù)，適應(yīng)了快速搬家工藝的特點(diǎn)。

5 結(jié)論

搬家專用回撤巷道支護(hù)支架(垛式支架)，實(shí)現(xiàn)對(duì)回撤通道頂板的主動(dòng)臨時(shí)機(jī)械化支護(hù)，回撤設(shè)備以及人員提供安全作業(yè)空間，節(jié)省成本、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于提高綜采支架回撤效率與作業(yè)安全性，目前垛式支架已經(jīng)研制適用不同高度的綜采工作面形成了系列化產(chǎn)品，主要應(yīng)用在神東礦區(qū)，該產(chǎn)品的使用，取得了較好的實(shí)用效果并具有良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

1) 實(shí)現(xiàn)了綜采搬家工作面回撤巷道頂板的機(jī)械化支護(hù)，較好的控制了回撤巷道頂板的下沉冒落，為人員和設(shè)備提供了安全作業(yè)空間。

2) 降低了道木和圓木的消耗，節(jié)省了搬家成本。

3) 降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了工人搬運(yùn)單體及道木時(shí)耗費(fèi)的體力，提高搬家倒面的效率。