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      煤層工作面綜采機(jī)械化液壓支架的選型

      2021-07-28 05:44:10周世強(qiáng)
      機(jī)械管理開(kāi)發(fā) 2021年6期
      關(guān)鍵詞:壓值測(cè)量點(diǎn)選型

      周世強(qiáng)

      (晉能控股煤業(yè)集團(tuán)臨汾宏大勝利煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 041099)

      引言

      近年來(lái),我國(guó)煤炭生產(chǎn)總量遠(yuǎn)超于美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家,成為第一煤炭生產(chǎn)大國(guó)[1]。雖然我國(guó)的煤炭生產(chǎn)總量占據(jù)優(yōu)勢(shì),但在生產(chǎn)效率上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家,這是由于我國(guó)的煤礦開(kāi)采設(shè)備條件仍相對(duì)落后。目前,美國(guó)等國(guó)所使用的液壓支架已將手動(dòng)操作發(fā)展成為電液控制系統(tǒng),并且可根據(jù)采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向以及位置,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化可控,加快了液壓支架的移架速度。除此以外,掩護(hù)式液壓支架具有較好的密封性能,可防止工作面落入矸石。為實(shí)現(xiàn)高效采煤的生產(chǎn)理念,液壓支架已向高支護(hù)強(qiáng)度(最大值已達(dá)1.1 MPa)、高支撐高度(4~5 m)、強(qiáng)工作阻力(高達(dá)104 kN)、寬中心距、機(jī)身輕便、使用壽命長(zhǎng)以及穩(wěn)定性高等方向發(fā)展。液壓支架作為煤層工作面的核心設(shè)備,研究意義重大。

      1 煤層工作面的概況

      煤層工作面頂?shù)装鍡l件是選擇液壓支架架構(gòu)重要的考慮因素,正確選擇液壓支架,不僅能夠增加采煤產(chǎn)量,也能提高產(chǎn)煤效率。本部分主要分析測(cè)定煤層工作面底板的比壓以及老頂?shù)募?jí)別與直接頂?shù)念悇e判定,初步選擇液壓支架的類型。

      1.1 煤層工作面底板比壓的測(cè)定

      底板比壓作為工作面選擇液壓支架的關(guān)鍵參數(shù),表示頂板抗壓入的強(qiáng)度。該值的測(cè)試方法主要包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和實(shí)驗(yàn)室兩種測(cè)試方式,本文選擇現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的方法,采用內(nèi)注式底板比壓儀(DBY型)可直接讀出壓入深度與底板比壓的數(shù)值,并以壓模壓入值為橫坐標(biāo)和底板比壓值為縱坐標(biāo)繪制相關(guān)曲線圖。

      為保證所測(cè)底板比壓值數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,需選擇3個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,分別記錄出壓入深度與底板比壓的數(shù)值并繪制相關(guān)曲線圖,最終經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出底板比壓平均值,即抗壓入強(qiáng)度。具體讀數(shù)間隔由初始的5 mm/次上升至每10~50 mm/次,該值隨著壓入速度變化情況隨時(shí)調(diào)整。

      本文以第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)為例,采用比壓儀記錄數(shù)據(jù)值,如表1所示。

      表1 煤層工作面的壓入深度與底板比壓的記錄數(shù)值(1號(hào)測(cè)量點(diǎn))

      該測(cè)量站的有關(guān)底板比壓的計(jì)算公式為(1):

      式中:qri表示當(dāng)?shù)趇次壓模壓入時(shí)底板的比壓值,MPa;qsi表示第i次壓模壓入時(shí)所采取儀器油缸的壓力值,MPa;ds和dm分別為比壓儀油缸的內(nèi)徑和壓模直徑,mm。

      壓入深度的計(jì)算公式為(2):

      式中:hi為第i次壓入深度,mm;Hi為第i次所壓入的深度測(cè)量值,mm;H0為儀器初次壓入的測(cè)量值,mm。

      以壓模壓入值為橫坐標(biāo)和底板比壓值為縱坐標(biāo)繪制相關(guān)曲線圖,如圖1所示,拐點(diǎn)處則可得出測(cè)量點(diǎn)1的底板比壓值,測(cè)量點(diǎn)2和3也采用同樣的測(cè)量計(jì)算方法得出相對(duì)應(yīng)的比壓值。測(cè)量點(diǎn)2底板比壓值為22 MPa,對(duì)應(yīng)高度為51 mm;測(cè)量點(diǎn)3底板比壓值為26 MPa,對(duì)應(yīng)高度為37 mm。

      圖1 底板比壓與壓入深度曲線圖(1號(hào)測(cè)量點(diǎn))

      根據(jù)一些研究得出,當(dāng)容許比壓在16.2~32 MPa條件下,無(wú)明確優(yōu)先選擇的液壓支架類型。經(jīng)計(jì)算得出,該底板比壓值為27.7 MPa,因此,該底板對(duì)于液壓支架選型不限。

      1.2 煤層工作面頂板類別的確定

      不同煤層工作面的頂板,需采取不同類別的液壓支架。本文首先確定出某煤礦的煤層工作面的頂板類別,包括老頂?shù)募?jí)別與直接頂?shù)念悇e,再根據(jù)國(guó)內(nèi)外液壓支架選型經(jīng)驗(yàn)值[2-3],最終初步完成液壓支架的選型。

      根據(jù)計(jì)算得出,煤層工作面老頂?shù)膹?qiáng)度計(jì)算為2.96 MPa,屬于明顯的老頂來(lái)壓,為II級(jí);直接頂?shù)膹?qiáng)度指標(biāo)計(jì)算為3.2 MPa,判斷該頂級(jí)為第2類別,屬于中等穩(wěn)定板??蓞⒖嫉贸龃祟愋晚敯鍛?yīng)選擇掩護(hù)式液壓支架。

      2 液壓支架參數(shù)的計(jì)算

      除選擇出液壓支架的架型之外,仍需要計(jì)算出煤層工作面液壓支架的一些主要參數(shù),包括液壓支架的高度、初撐力和工作阻力等,其各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算公式如下所述。

      2.1 液壓支架高度H':

      式中:Mmax為煤層的最大高度,取2.6 m;S1為偽頂冒落的最大厚度,取0.2 m。將數(shù)值代入公式計(jì)算得H'max=2.8 m。

      式中:Mmin為煤層的最小采高高度,取1 m;S2為頂板來(lái)壓時(shí)最大的下沉量(包括頂梁的上下底座的浮煤、浮矸和支架的下移量的總和),取0.25 m。將數(shù)值代入公式計(jì)算得H'min=0.75 m。

      2.2 工作阻力P

      式中:q為支架的支護(hù)強(qiáng)度,取574 kN;b為支架的中心距,取1.5 m;L為頂梁長(zhǎng)度,取3.822 m;C為煤壁與頂梁前端的距離,取0.4 m。

      2.3 初撐力T

      根據(jù)各項(xiàng)計(jì)算公式,可得出該煤層工作面液壓支架的最小與最大采高高度分別為0.75 m和2.8 m;工作阻力為3 635 kN;該液壓支架的支撐力依據(jù)直接頂確定為中等穩(wěn)定板,此值應(yīng)具有較高的支撐力,一般占工作阻力的80%,其值較接近于工作阻力為2 904 kN。

      除此之外,推溜力和移架力也為液壓支架的選型參數(shù),推溜力大致為100~150 kN。移架力主要與頂板條件、支撐的高度以及支架結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。按照煤層的薄、中、厚可選擇出移架力的值為100~150 kN,150~300 kN以及300~400 kN。

      3 液壓支架的選型

      該煤層工作面的煤層傾角在28°,該值大于25°,則需要在煤層工作面中和排頭的支架處設(shè)立防滑和防倒裝置[4]。結(jié)合計(jì)算出的液壓支架相關(guān)參數(shù),以及底板比壓應(yīng)小于煤層工作面的容許比壓值,選擇液壓支架型號(hào)為ZF3700/16/29,其相關(guān)性能如表2所示。

      表2 ZF3700/16/29型液壓支架性能表

      4 結(jié)論

      1)通過(guò)測(cè)定煤層工作面篩選出液壓支架的底比壓應(yīng)小于底板容許比壓作為選型參考。

      2)根據(jù)計(jì)算得出,煤層工作面的老頂屬于明顯的老頂來(lái)壓,為II級(jí),直接頂?shù)捻敿?jí)為第2類別,屬于中等穩(wěn)定板,由此可選擇得出此類型頂板為掩護(hù)式液壓支架。

      3)通過(guò)對(duì)液壓支架的高度、初撐力和工作阻力等主要參數(shù)計(jì)算,進(jìn)一步完成某煤礦的煤層工作面液壓支架的選型,并給出該液壓支架的具體性能參數(shù),便于借鑒與應(yīng)用。

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