特厚煤层综放工作面液压支架适应性研究

特厚煤层综放工作面液压支架适应性研究

山西省晋津市无烟采矿业联合会在晋江矿区的煤炭开采已有50多年的历史。矿区原有资源不足，9号煤层储量小，开采年限相似。位于下组的15号煤层随着煤制油项目的成功实施和煤化工产业的发展,其开采利用价值逐年增高,由不可采变为可采煤层,已成为山西晋城无烟煤矿业集团的主采煤层。2007年7月,王台铺矿开始开采15号煤层,2009年凤凰山等矿相继实施开采,目前寺河矿也正准备中。笔者利用王台铺矿15号煤层开采实践经验及工作面矿压观测数据等资料,对所在的晋城矿区15号煤层综采工作面液压支架进行适应性分析,对该煤层实现矿井安全高效生产的液压支架合理参数确定和架型配套进行了研究。115来自11号的煤层的开采现状1.1合长壁开采机械地层晋城矿区15号煤层位于太原组底部,平均埋深155m,15号煤层为黑色、油脂光泽,以暗煤为主,夹镜煤条带,煤中富含黄铁矿结核,煤种为无烟煤,平均厚度2.50m,煤层普氏系数2～4,煤层倾角3～8°,平均倾角5°,煤体容重14.6kN/m3,煤层赋存稳定,煤层构造较少,适合长壁综合机械化开采。煤层一般无伪顶,局部存在极薄炭质泥岩;直接顶为K2石灰岩,厚度8.41～10.26m,平均8.90m,致密坚硬,节理裂隙较发育,在井田内该岩层特别稳定,普氏系数10～12,平均单向抗压强度127.57MPa,平均单向抗拉强度7.56MPa,平均抗剪强度16.11MPa,由于石灰岩厚度大,属Ⅱ级矿压显现强烈坚硬顶板;底板为泥岩或铝土质泥岩,厚0～3.42m,平均1.62m,其下部为本溪组的铝土泥岩,属软弱型,平均单向抗压强度为40.82MPa,平均单向抗拉强度为3.74MPa,平均抗剪强度9.27MPa,底板岩层吸水性强,遇水膨胀从而降低了底板的稳定性,对工作面开采有一定的影响。经分析对比,王台铺矿和凤凰山矿的15号煤层赋存条件在晋城矿区具代表性,通过王台铺矿开采实践及矿压资料总结进行液压支架合理参数和架型分析,具有一定的指导作用,晋城矿区王台铺矿和凤凰山矿15号煤层赋存情况见表1。1.2王台店矿场基本结构1主顶火山岩地质特征以王台铺矿2306工作面为例,该工作面煤层倾角1～5°,平均3°,煤层厚度1.50～2.80m,平均2.52m。煤层基本顶、直接顶为石灰岩,厚度8.41～10.26m,平均9.0m,层位稳定。煤层底板为灰-深灰色泥岩,铝质泥岩,局部有黑色炭质泥岩伪底,直接底、基本底均为泥岩,属低瓦斯工作面,煤尘无爆炸危险性。工作面倾斜长175m,走向长443.1m,工作面采用三巷布置,“两进一回”通风方式,3条工作面巷道尺寸均为4400mm×2500mm,巷道均采用锚杆支护,锚索钢带金属网加强支护。2zz2000/17/32型端尾支架结构工作面采用ZZ6000/17/32型支架117架,2架ZT13200/16/30型端头支架,2架ZZ6000/17/32型端尾支架,最大控顶距5.76m,最小控顶距5.16m;采用MG250/600-WD1双滚筒采煤机,截深0.6m;采用SGZ764/400刮板输送机、SZB764/132型转载机、DSP1063/1000/125型带式输送机运煤。3支护工作阻力验算同时对工作面直接顶K2石灰岩、开切眼及工作面二巷道实施爆破弱化顶板处理,经工作面监测可知:支架工作阻力超过额定工作阻力6000kN较为频繁;支架初撑力偏低;支架安全阀开启率较高;机头、机尾采空区有悬顶三角区;基本顶初次来压和周期来压动载系数高达1.78和2.03(表2)。1.3月产量、产量工作面采用走向长壁综合机械化采煤法。该工作面平均日产量2202t,最高日产量3944t,月产量不足12万t。存在问题主要有以下3个方面。1液压支架效果经统计工作面支架配置低是造成工作面单产偏低的一个主要原因。当前,我国中厚煤层国产化综采设备工作面,达到了日产10000t、年产300万t的水平。补连塔矿利用国产液压支架,配套引进国外采煤机和刮板输送机,实现工作面月单产42万t的好成绩。济宁二号矿在中厚煤层(1.5～2.5m)中采用进口采煤机及其他配套国产设备,实现最高日产13350t,平均日产6870t,实现了安全高效。2固定支架工作阻力工作面直接顶初次来压、基本顶初次来压及基本顶周期来压时,经统计有85%的支架工作阻力超过其额定工作阻力,在非周期来压的生产期间也有20%支架工作阻力超过其额定工作阻力。安全阀开启频繁,支架受力状况较差。3左后立柱窜顶工作面推进105m时,滞后移架的84—87号支架先后被压死,随后88号和89号支架也相继被压死,85号支架处理结束后,发现左后立柱窜顶,支架的受力状态较差。2支架的合理参数的确定和框架类型的支持分析2.1工作面压力及支护强度1)根据王台铺矿15号煤层工作面矿压观测数据确定合理的支架工作阻力。王台铺矿支架工作阻力时间加权平均阻力为4638.66kN,支护阻力均方差为1064.53kN,按平均值加2倍均方差计,再考虑1.2的安全系数,并考虑支架支护效率0.85～0.95,则推算合理工作阻力应达到8548～9554kN。支架合理工作阻力P=Pj/c,其中:Pj为工作面工作阻力计算值(考虑动载系数取2.0,安全系数取1.2);c为支护效率,取0.85～0.95。根据以上公式确定的支架工作阻力见表3,依据15号煤层围岩特点,分析认为:液压支架工作阻力应选择10000kN。2)依据上覆石灰岩厚度及处理效果确定综采工作面合理支护强度。王台铺矿15号煤层上覆K2石灰岩厚度为8.41～10.26m,平均8.90m。王台铺矿经超前预裂爆破弱化直接顶(石灰岩)后,工作面直接顶初次来压、基本顶初次来压和基本顶周期来压最大动载系数分别为1.30、1.78和2.03。按照8倍采高计算支架支护强度p=8Mγq=1.09MPa>1.0MPa,其中:M为平均采高,取2.52m;γ为覆岩容重,取27kN/m3;q为动载系数,取2。鉴于15号煤层顶板为石灰岩坚硬顶板,支架工作阻力提高到10000kN后,支护强度可由原来的1.1MPa提高到1.25～1.31MPa,有利于顶板管理。2.2磨损式支架结构支架的选型应与晋城矿区的地质条件相适应,支架结构与煤层赋存条件相适应。目前,中厚煤层一次采全高液压支架主要有2种:掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架。传统观念认为掩护式支架适用于基本顶来压较小、直接顶稳定性差、底板较硬的工作面;支撑掩护式支架适用于稳定顶板和坚硬顶板,支架切顶性能强,底座前端底板比压小。但是,随着国内外煤矿开采对岩层控制认识的深入,新的研究及实践证明由于支撑掩护式支架4个立柱不可能同时受力,实际使用中通常发生前后立柱受力不均匀现象,四柱支架的支撑效率明显低于掩护式支架。此外,掩护式支架大缸径立柱及抬底座机构的应用大幅提高了掩护式支架的适应范围,20世纪90年代初,随着国外支撑掩护式液压支架引进及其成功应用,改变了过去对掩护式支架的认识。近20年来,德国、美国及澳大利亚等发达国家综采支架均以掩护式液压支架为主。高工作阻力、高可靠性掩护式支架因支护阻力和切顶能力的提高,可适用于坚硬顶板。另外,掩护式支架结构简单,操作方便,循环时间短,对提高工作面产量和提高劳动效率尤为明显,特别适用于高产高效工作面,目前我国除放顶煤及铺底网等特殊支架外,支架选型时也在向两柱掩护式支架发展,并收到了较好的使用效果,目前已经成为国内外的主流架型。综合分析认为,晋城矿区15号煤层开采选用高工作阻力、高可靠性两柱掩护式支架为最佳。2.3支架宽度的确定选用工作阻力达10000kN的两柱掩护式支架,支架立柱缸径达380mm以上,故支架宽度选用1.75m为宜。2.4工作面及支护速度确定为了实现矿井高产高效要求,工作面设计产量取8000t/d,综采工作面实行“四六制”,即三班生产,一班准备。确定截深0.8m时日进刀数量N=A/(MLSγcCη)≈18刀,其中:A综采工作面日产量,取8000t/d;L工作面长度,取175m;S采煤机截深,取0.8m;γc为15号煤层容重,取14.6kN/m3;C为工作面采出率,取0.95;η为采煤正规循环率,取0.9。每班6h内采煤机需割煤6刀,才能够达到设计产量。考虑采煤机工作效率和辅助时间,采煤机牵引速度选择3.5m/min。液压支架采用手工操作时,移架速度Vy应大于KyV=4.2m/min,其中:Ky为不均衡系数,一般为1.17～1.22;V为采煤机平均牵引速度,m/min。单位时间移架数量n=Vy/J=2.4架/min,其中J为支架中心距,取1.75m。如用手工移架,每25s移1架,每班6个循环,支架采用电液控制以保证快速推进,减轻工人劳动强度,满足综采安全高效的需要。2.5顶梁支架运输结构综合上述计算分析,采用ZY10000/17/32D型电液控制掩护式支架,技术参数如下:支架型式两柱掩护式、电液或手动控制支撑高度/mm1600～3200支护强度/MPa1.25～1.31梁端距/mm350～400初撑力(泵站压力31.5MPa)/kN7917工作阻力(39.8MPa)/kN10000支架中心距/m1.75立柱前后部分顶梁的比例2.5︰1底板比压/MPa平均2.2支架的运输尺寸/(mm×mm×mm)6550×1650×1600结构件安全系数1.37～2.5支架质量/t约263d型两柱多柱独立支架型1)ZZ6000/17/32型四柱支掩式支架工作阻力偏低,安全阀频繁开启,动载系数较大,支架结构不合理,经分析改选为ZY10000/16/3