大倾角煤层放顶煤开采液压支架选型及三机配套技术研究

大倾角煤层放顶煤开采液压支架选型及三机配套技术研究

随着煤矿机械化开采的发展，大型高中厚煤层同时开采的能源支撑技术得到了成功应用。从目前的使用情况来看,大采高煤层开采技术对煤层地质条件要求相对较高,即近水平煤层,煤层赋存条件稳定,顶底板良好等。对倾角较大的三软中厚及厚煤层开采来说目前还不能使用一次采全高开采,较为成功的开采方法就是综采放顶煤开采。针对神华宁煤集团石嘴山矿区大倾角三软煤层综采放顶煤开采的实际情况,对液压支架选型及三机配套方案进行分析,以供参考。1复合顶板结构及去压强度神华宁夏煤业集团石嘴山矿区开采的3号煤厚度5.09～8.64m,平均厚6.00m,倾角17～30°。地质构造复杂,煤层普氏系数0.5～1.2,伪顶为炭质页岩、铝土岩和劣质煤,厚2.3m左右,构成复合顶板;直接顶为页岩,基本顶为细-粗砂岩,伪底为黏土岩,平均厚0.25m,普氏系数1.0,遇水软化;直接底为页岩普氏系数2.5,属三软煤层,质地松软,易于抽冒片帮。工作面走向长1300～1500m,工作面倾斜长为150～220m,3层煤距地表垂深400m,顶板最大来压强度300kN/m2。基本顶初次来压步距8～12m,基本顶周期来压步距25～30m。自1996年以来,原石嘴山二矿一直采用走向长壁综采放顶煤开采方法,从最初的月产5万t增加到目前最高月产13万t。2高煤壁片帮放顶煤液压支架的结构及工作原理影响液压支架选型的因素主要是矿山地质条件,如顶底板稳定性、煤层可采厚度、煤层倾角、煤层赋存状况及瓦斯含量等,其中以煤层顶底板稳定性影响最大。顶板稳定性直接影响所选支架的架型支护强度,顶板岩性的不同,决定支架的架型型式,岩层载荷和顶板的稳定性主要影响支架支护强度和顶梁的结构型式。一般顶板稳固平整煤层应选用支撑式支架;煤质松软、顶板破碎煤层,应选用掩护式支架;而煤层顶板坚硬,则应选用支撑掩护式支架。底板岩石的组成、结构及岩石力学性质是支架选型不可忽视的另一重要条件,底板的稳定性,对支架底座影响较大,支架架型选取不当,会使支架陷入底板,移架困难。1)在石嘴山矿区3号煤开采过程中使用过4种不同的架型。第1套为ZFS3200/14/27型正四连杆支撑掩护式放顶煤液压支架,其优点是整体顶梁带内伸缩梁,侧护板伸至顶梁前端有效防止架间漏矸,架间有足够的行人空间,倒装整体长推杆能控制刮板输送机下滑;缺点是没有护帮板,从而不能有效防止煤壁片帮,底座前端对地比压较大,钻底严重。第2套为ZF4800/17/28H型反四连杆支撑掩护式放顶煤液压支架,其优点是整体顶梁带内伸缩梁,侧护板伸至顶梁前端有效防止架间漏矸,底座前端对地比压较小(小于0.8MPa),杜绝钻底现象;缺点是没有护帮板,从而不能有效防止煤壁片帮,架间没有行人空间,采用正推短推杆推出后摆动较大,不能有效防止刮板输送机下滑。第3套为ZF5800/18/32型反四连杆支撑掩护式放顶煤液压支架,其优点是铰接前梁带外伸缩梁和护帮板,能很好适应顶板的变化和维护煤壁片帮,底座前端对地比压较小,杜绝钻底现象;缺点是铰接前梁没有侧护板,导致前梁架间漏顶严重,架间没有行人空间,采用正推短推杆推出后摆动较大,不能有效防止刮板输送机下滑。第4套为ZF5800/17/35型正四连杆支撑掩护式放顶煤液压支架,其优点是铰接前梁带内置伸缩梁和护帮板,前梁带侧护板,能很好适应顶板的变化、防止前梁架间漏矸和维护煤壁片帮,底座前端对地比压较小,杜绝钻底现象,倒装整体长推杆能控制刮板输送机下滑;其缺点是质量较大,运输需要解体。2)通过以上4种架型放顶煤液压支架的使用,发现大倾角综采放顶煤开采支架必须在其稳定性、防倒防滑以及对顶底板的适应性方面重点考虑,并对其进行总结如下:①基本架型——正四连杆机构支撑掩护式,既保证了支架整体有较高的稳定性、抗扭性及抗侧向力,同时又保证了架间前后有足够的人和运料通道及后部刮板输送机的管理和维修空间;②顶梁结构——整体顶梁带内伸缩梁和护帮板结构,侧护板护至顶梁前端,保证了顶梁前端有足够的支撑力及很好的封闭性能,伸缩梁可进行超前及时支护,护帮板可旋转180°有效控制煤壁片帮;③放煤机构——可摆动尾梁带插板结构,既实现了连续敞开的放煤窗口,又可随时封闭采空区的矸石,尾梁和插板还可以松动顶煤和切碎大块煤及矸石;④侧护千斤顶——采用⌀100mm大缸径千斤顶,下腔装有单向锁使支架有较大的侧推力并具有防倒扶正功能;⑤供液系统——采用大流量环型供液系统,实现快速带压移架,保证顶板不受重复支撑破坏影响;⑥前推移装置——采用⌀180mm大缸径千斤顶倒装整体长推移杆结构,有足够大的移架力和推刮板输送机的力,并可防止刮板输送机上窜下滑;⑦底座配备调架机构和防滑装置,以调整相邻两架之间的间隙,防止支架倒架和挤死,防止刮板输送机下滑;⑧在巷道运输条件和绞车提升能力满足支架设计吨位的前提下,大倾角煤层开采支架应尽量考虑放宽中心距设计,达到1.75m甚至2.00m,使支架重心在底板的投影必须在底座受力接触面以内,这样可使支架的受力达到稳定;⑨重点部位的材料选择(Q690板材、侧护板、侧护导杆、底座底板等);⑩大倾角工作面支架随着结构件的不断磨损、锈蚀、变形等,连杆的各铰接轴在使用过程中会发生外窜,影响安全生产,因此支架在设计时要充分考虑铰接销轴的防窜,增大挡销的强度。3工作面采高和采放高采煤机和刮板输送机的选型和配套关键是工作面采高和移架步距。采高和移架步距的大小决定工作面配套设备的生产能力,采高较高、移架步距较大采煤机的机身高、生产能力大。一般来讲,大倾角三软煤层放顶煤开采采高为2.5～3.0m适宜,采高过低各种操作、采煤机行走均不方便,采高过高则支架有可能因接顶不实而引发倒架。3.1大倾角采煤机的选择和连接3.1.1液压牵引采煤机目前交流变频电牵引采煤机技术成熟,可靠性高,功率小、故障率高,液压牵引采煤机逐渐被高产高效的煤矿生产所淘汰。因此,一般都选用国内(或国外)技术先进成熟的交流变频电牵引采煤机配套。1采煤机牵引阻力的分析方法只考虑电动机的输出扭矩而不考虑采煤机在最大牵引力时的实际运行状态的受力,通常会将采煤机的牵引电机功率选小。影响采煤机牵引力的因素很多,但总体来说牵引力是由外载荷来决定的。因此必须对其进行受力分析,其受力分析如图1所示。牵引力主要与以下因素有关:①采煤机自重G;②滚筒所受的轴向力FX1和FX2;③滚筒所受的推进力YN1和YN2(与牵引力相反);④滚筒所受的切向力FN1和FN2(与滚筒的转向相反);⑤工作面倾角a。通过上述分析,并根据力的平衡原理可知,采煤机牵引移动时必须克服的牵引阻力之和(牵引力)为TP=(YN1+YN2)+f(Gcosa−FN1+FN2+FX1+FX2)±Gsina=K1G+fG(cosa−K2+2K3)±GsinaΤΡ=(YΝ1+YΝ2)+f(Gcosa-FΝ1+FΝ2+FX1+FX2)±Gsina=Κ1G+fG(cosa-Κ2+2Κ3)±Gsina式中f——摩擦因数,平均可取0.18;TP——采煤机的牵引力,kN;K1——经验系数,K1=(YN1+YN2)/G,可取K1=0.6～0.8;K2——估算系数,K2=(FN1-FN2)/G,可取K2=0～0.2;K3——侧面导向反力对牵引阻力的影响系数,K3=FX1/G=FX2/G。a=0°时,取K3=0.12～0.19;a=35°时,取K3=0.15～0.21。为确保安全,取采煤机的最大牵引力TPmax=KTP(K为安全系数,取1.20～1.25)。不难看出设计采煤机牵引部时应将最大牵引力作为最大载荷计算其各传动系统(液压和机械传动系统)的强度,这样才能确保所设计的牵引部运行安全。2决采煤机下滑大倾角煤层开采中采煤机防滑也是安全管理的重点。可通过液压制动器与牵引变频器的相互延时动作有效地解决采煤机下滑,即当采煤机主控器发出牵引方向指令,制动电磁阀打开的同时(或延时小于1s)变频器才会有牵引确认,否则采煤机会出现因自重力下滑现象;当液压制动器因缺油或油压不足而关闭,此时变频器必须同时停止功率输出,否则会损坏制动摩擦片,长时间则会烧毁牵引电机或造成其他机械故障。3.1.2采煤机注意事项1)注意机头机尾割三角煤的校验和挖底量的大小,一般采煤机机头和机尾的挖底量不应低于200mm。2)采煤机的挑顶量是否满足需要,综放工作面的顶板是复合顶板,只能采用超前支护形式维护顶板,若挑顶量达不到要求会出现采煤机截割支架前梁的现象。3)采煤机行走轮与刮板输送机销排的啮合曲线必须属于同一类型,否则易出现行走部机械故障,目前大功率采煤机均配置强力锻造齿轨,保证其强度。4)根据采高选择合适的滚筒直径和滚筒转速,采煤机滚筒直径大小和滚筒转速高低都会直接影响到采煤机的装煤效果。5)在基本参数要素符合技术要求的条件下,尽可能增加采煤机的自身重力,如对无用空间充灌铅等技术,保证设备运行稳定。3.2大倾角工作面的辊式车床连接3.2.1采用适当的方式来设计普通的会刮板放空和下封1)封底板上焊接横向底板防滑筋,增加刮板机底板与工作面底板间的摩擦因数。2)刮板输送机尾部设计端头锚固站,特别对后部刮板输送机尤其重要和有效。3)推移耳座的强度必须进行加强,否则在使用过程中推移耳座会频繁出现断裂;或采用强弱分配的原则,即推移耳座和刮板输送机槽帮整体铸造在一体,断裂后不易处理(或焊接不实),设计时要增大其强度;而与推移耳座相连接的支架推移杆十字接头易更换且制造成本低,其强度要小于推移耳座。3.2.2刮板粉碎机安装在巷道围岩中的问题1)大倾角工作面刮板输送机机头卸载方式采用端卸式,刮板输送机与转载机的相对位置很难固定,卸煤点不确定,端卸式易控制。2)机头卸载高度应适当控制,偏小为宜。大倾角工作面巷道掘进时一般都是按照下帮见底、上帮破底进行设计的,不存在刮板输送机卸煤或拉回头煤,而卸载高度加大后,采煤机在机头处的挖底量会变小,刮板输送机的过煤空间也会相应变小,过渡槽的机械长度加长等问题较多,没有很好的解决办法。3)刮板输送机的水平弯曲度和垂直弯曲度必须符合行业标准,增强