6m以上大采高液压支架稳定性分析与控制措施

与额定阻 力比 / %
63 76 67 75 66 82 65 77
最大 值 / kN 3 837 4 796 3 954 5 592 4 964 5 352 4 252 5 346
与额定阻 力比 / %
76 80 79 93 79 89 84 87
(2)直接顶初次垮落步距为 17 m ,基本顶初次 垮落步距为 40 m ,周期来压步距为 37 m。
2 影响大采高支架稳定性的因素
2. 1 横向稳定性 液压支架的横向稳定性是指支架在运动过程
中 ,支架结构与对称中心平面垂直方向保持稳定的 特性 。大采高支架横向不稳定是指大采高支架顶梁 相对底座沿采煤工作面方向偏离原横向设计位置 , 有 3种具体情况 :顶梁与底座发生相对角位移 ;顶梁 与底座发生相对线位移 ;顶梁平面相对底座平面有 一横向夹角 。 2. 1. 1 四连杆机构销轴孔间隙的影响
我国西部煤炭资源储量丰富 ,随着 21世纪我国 矿产资源开采重点西移 ,煤炭开发已成为西部地区 经济发展的重要支柱 。但是 ,我国西部煤层较厚 ,并 且有一定的倾角 ,目前我国对厚煤层 、倾斜煤层开采 尚存在着一系列难以解决的基本技术难题 ,其中 ,提 高 6 m 以上大采高液压支架的稳定性是特厚倾斜煤 层综采工作面开采的一个基本问题 。
郑州煤矿机械集团股份有限公司针对宁煤集团 羊场湾煤矿 2#煤层 (煤层可采厚度 4142～10115 m , 平均 712 m )设计了 ZY10000 /28 /62 型大采高液压 支架 。在设计过程中 ,对影响大采高液压支架稳定 性的因素进行了分析 ,对支架设计进行了改进 ,提高 了支架的稳定性 ,有效保障了安全生产 。
中 ,支架结构沿对称中心平面方向 (垂直于工作面 方向 )保持其几何状态稳定的特性 。
2. 2. 1 水平摩擦力影响 液压支架以四连杆机构作为其稳定机构 ,具有
承受水平力的能力 。但是当支架承受纵向水平摩擦
力时 ,必然引起底板比压和支架外载合力的变化 。 由摩擦力引起的支架合力作用点变化为 :
e = fh
2009年第 10期 孙 攀等 : 6 m 以上大采高液压支架稳定性分析与控制措施 总第 166期
四连杆机构是液压支架的稳定机构 ,其主要作 用是保证支架纵向和横向的稳定 ,规范顶梁升降过 程中的运动轨迹 。支架的各个部件之间是用销轴连 接的 ,铰接处的孔轴配合存在一定的间隙 ,孔轴间隙 的大小直接影响支架的横向稳定性 。若沿用支架以 前的孔轴配合间隙 ,由于大采高支架支撑高度大 ,即 使在水平的工作条件下 ,支架也会产生歪斜 、扭转甚 至倒架 。在有倾角的煤层条件下 ,支架的稳定性更 加难以控制 。通过对支架理论计算和井下实际工作 时的观测表明 ,支架在支撑高度大于 415 m 时 ,顶梁 横向偏移量为 200～300 mm ,立柱横向偏斜角度在 3～5°。这样会直接影响支架的横向稳定性 ,使四连 杆机构承受较大的偏载 。 2. 1. 2 工作面倾角和采高的影响
1 工作面地质条件
收稿日期 : 2009 - 07 - 31 作者简介 : 孙 攀 ( 1982—) ,男 ,河南开封人 ,助理工程师 , 2005 年 毕业于河南理工大学 ,现从事煤矿综采工作面液压支架设计工作 。
·14·
宁煤集团羊场湾煤矿 2#煤层倾角一般 8～15°, 局部 20°左右 (在 6 m 左右采高范围最大的倾角 ) , 走向方向煤层起伏坡度一般为 8°,最大可达 14°。 煤层可采厚度 4142～10115 m ,平均 7120 m , f = 2～ 3,韧性指标 9 ～10。 2#煤层伪顶岩性为泥岩 、炭质 泥岩 ,厚度 0112 ～0179 m ,随采随垮 。底板除井田 中部 (16—52线间 )多为细砂岩外 ,其余均以粉砂岩 为主 ,泥岩次之 。
2009年第 10期 中州煤炭 总第 166期
6 m 以上大采高液压支架稳定性分析与控制措施
孙 攀 ,李 阳 ,郭丹丹
(郑州煤矿机械集团股份有限公司 ,河南 郑州 450013)
摘要 :随着对厚煤层 、倾斜煤层的开采 ,液压支架的稳定性成为特厚倾斜煤层综采工作面开采的难点问题 。 ZY10000 /28 /62型大采高液压支架是针对宁煤集团羊场湾煤矿 2#煤层设计的 ,以 ZY10000 /28 /62为例 ,探寻 了 6 m以上大采高支架稳定性的影响因素 ,并分析了支架倾倒的原因 ,从而得出提高大采高支架稳定性的措 施 。对综采工作面液压支架的设计工作具有指导意义 。 关键词 :倾斜煤层 ;大采高液压支架 ;稳定性分析 中图分类号 : TD355144 文献标识码 : A 文章编号 : 1003 - 0506 (2009) 10 - 0014 - 02
(2)从支架支护阻力 、支护角度与端面距的变 化对综放面顶板 (煤 )控制的效果分析来看 ,小端面 距 、大支护角度和支护阻力对维护综放面端面顶板 (煤 )的稳定性有利 。因此 ,在条件允许时 ,宜提高 支架的支护阻力 ,减小端面距 ,使工作面支架处于良 好的状态 ,以提高端面顶板 (煤 )稳定性 。
(2)
式中 , e为底座支撑合力与顶梁合力的距离 ; f 为顶
梁与顶板间的摩擦因数 ; h为支架工作高度 。
由此可见 ,大采高支架合力作用点的位置变化
大 ,如果水平摩擦力方向指向工作面方向 ,则底座合
力向前移动 ,使底座前端比压增大 ,甚至合力超过底
座 ,造成支架纵向失稳 (栽头 、倾倒 ) 。
2. 2. 2 仰采和俯采对支架纵向稳定性的影响
(3)支架初撑力 、工作阻力呈近似正态分布状 态 ,说明支架工作特性比较稳定 ,但初撑力和工作阻 力绝对值较低 ,应加强液压支架泵站管理 。
通过对深部特厚煤层综放开采工作面支架载荷 分布 、实测值及支架前后柱阻力对比的实测分析 , ZF6400218 /28型支架初撑力 、工作阻力分布均匀 , 前柱阻力普遍大于后柱 ,平均末阻力为支架额定阻 力的 90%左右 ,说明该支架对千秋煤矿深部特厚煤 层综放面有较好的适应性 。
Abstract: The stability of hydraulic supports in thick coal seam , inclination seam is a fundamental p roblem. ZY10000 /28 /62 hydraulic support was designed according to the conditions of 2# coal seam in Yangchangwan CoalM ine of N ingxia Coal Industry Group. The paper took ZY10000 /28 /62 as an examp le, to exp lore stability of above 6 m hydraulic supports w ith large m ining height, and to analyze the reasons for topp ling, so as to bring forward the measures to the stability of hydraulic supports in high m ining inclination coal seam , which is also as guidance to the design of hydraulic support in fully2mechanized working face. Keywords: inclination coal seam; hydraulic support with large m ining height; stability analysis
在有倾角的工作面 ,支架在非支撑状态下 ,在自 身重力和掩护梁背矸重力沿工作面倾斜方向分力的 作用下 ,支架有下滑的趋势 。受力分析如图 1所示 。
图 1 支架受力原理
支架处于临界下滑状态的平衡方程为 :
( G + Pw ) sinα - f1 ( G + Pw ) cosα = 0
(1)
式中 , G为支架自重 ; Pw 为支架掩护梁背矸重力 ;α
支架不下滑的工作面倾角应小于 16°。
当支架在正常支护状态时 ,由于支架支撑力的
作用 ,支架与顶 、底板间的摩擦阻力较大 ,一般不会
发生整体下滑 。而当移架或顶板冒顶时 ,有可能出
现下滑现象 。由于顶梁间排列紧密 ,而且有侧护板
的约束 ,不会出现工作面顶梁下滑的现象 ;而支架的
底座间为避免相互咬架 ,一般留有较大的间隙 ,支架 底座有较大的横向移动空间 ,这就导致了支架主要 是底座沿工作面下滑 ,底座下滑引发了支架沿工作 面向下倾倒 。
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力在底座的作用点也向前偏移 。如果俯角加大到一
定程度 ,支架在初撑阶段有前倾倾向 。
3 提高稳定性的措施
ZY10000 /28 /62大采高液压支架是郑州煤矿机 械集团股份有限公司根据神华宁煤集团羊场湾煤矿 的地质条件设计的 ,针对此煤矿的煤层倾角和走向 方向上的起伏坡度 ,该液压支架在 (下转第 33页 )
为底板倾角 ; f1 为支架底座与底板间的摩擦因数 。
由式 (1)可以看出 ,支架的临界下滑与重力大小
无关 ,仅取决于工作面倾角和支架底座与底板间的摩
擦因数。在实际工作中 ,支架与底板间的摩擦因数受
多种因素 (底板岩性 、浮煤和水等 )的影响 ,金属与煤
层间的摩擦因数一般取 012～013。因此 ,自重条件下
(3) 21201深部特厚煤层综放面直接顶初次垮 落步距为 17 m ,基本顶初次垮落步距为 40 m ,周期 来压步距为 37 m。
(4)支架载荷测试结果表明 : ZF6400218 /28 型 液压支架能较好地适应千秋煤矿深部特厚煤层条 件 ,进一步说明 21201工作面支架选型合理 ,能够与 工作面其他设备较好匹配 。 (责任编辑 :刘光雨 )
Stab ility Ana lysis and Con trol M ethods on Above 6 m Hydraulic Supports w ith Large M in ing He ight
SUN Pan, L I Yang, GUO Dan2dan
( Z hengzhou Coa l M ine M ach inery Group Co. , L td. , Zhengzhou 450013, Ch ina)
·15·
2009年第 10期 李文社等 :千秋煤矿深部特厚煤层综放工作面矿压显现规律浅析 总第 166期
表 1 21201综放面支架实测载荷
测区 上 中 下 平均
工作状态
初撑力 工作阻力 初撑力 工作阻力 初撑力 工作阻力 初撑力 工作阻力
平均 值 / kN 3 217 4 556 3 350 4 498 3 321 4 926 3 296 4 660
仰采 、俯采工况对支架纵向稳定性影响较大 ,容
易造成支架的纵向倾倒 。仰采时 ,在承载阶段 ,水平
摩擦力 、顶板压力沿顶梁的分力均指向采空区 ,使支
架合力作用方向向采空区偏移 ,支架合力在底座的
作用点也向后偏移 。如果仰角加大到一定程度 ,支
架可能产生后倾倾向 。俯采时 ,在初撑阶段 ,摩擦力
方向指向煤壁 ,使支架合力向煤壁方向偏移 ,支架合
5 结语
(1)开采深度 、煤层强度和厚度是支承压力分 布特征的主要影响因素 。开采深度增加 ,支承压力 峰值点的绝对值变大 ,峰值点远离煤壁 ,但峰值点的 应力集中系数减小 ;顶煤越厚 ,峰值点增大 ,应力越 集中 ;煤层越硬 ,支承压力的影响范围越小 ,峰值点 越靠近煤壁 ;反之亦成立 。
2. 1. 3 初撑力的影响 在大采高工作面 ,支架要撑得紧 ,稳定性才能保
证 ,支架的初撑力是支架移架后对顶板最初的主动 作用力 。所以 ,它对提高移架后支架的稳定性具有 重要作用 。支架的初撑力大 ,则主动作用于顶板上 的力就大 ,顶板对支架的摩擦力就大 ,支架的稳定性 相应得到提高 。
2. 2 纵向稳定性 支架的纵向稳定性是指支架在运动和承载过程