馬 俊

(陜西神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司,陜西神木 719319)

涼水井煤礦液壓支架選型

馬 俊

(陜西神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司,陜西神木 719319)

根據(jù)涼水井煤礦地質(zhì)條件,通過對液壓支架選型中幾個(gè)重要參數(shù):支架高度、初撐力和工作阻力加以分析,對該礦綜采工作面所需參數(shù)提出了建議。

液壓支架;選型;參數(shù)

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涼水井煤礦井田東西寬 5～10km,南北長 4.3～10.8km。首采區(qū)位于井田的東南部,首采工作面 42101和第 2個(gè)工作面 42102均布置在首采區(qū),為相鄰的兩區(qū)段。據(jù)勘探和地質(zhì)分析可知:煤層厚度由東向西逐漸變薄,地層傾角平緩,傾角不足1°,無構(gòu)造異常和巖漿活動。南部地形較低,高程1235m左右,北部地面標(biāo)高 1255m左右,相對高差 20m。該區(qū)多年平均降水量為 435.70mm,并多以暴雨形式集中于 7～9月,砂地降水入滲系數(shù)可達(dá) 0.3～0.6,具有較好降水匯水條件,降水垂向滲透補(bǔ)給強(qiáng)度較大,最終形成風(fēng)化巖裂隙水。瓦斯分帶屬 CO2-N2,無瓦斯危險(xiǎn),無地?zé)嵛：Α?/p>

1 液壓支架選型參數(shù)確定

液壓支架選型主要的參數(shù)包括:支架高度、初撐力和合理的工作阻力。

1.1 液壓支架高度

液壓支架的高度必須適應(yīng)工作面推進(jìn)方向上煤層厚度的變化。

式中,Hmax,Hmin為支架的最大和最小高度,m;Mmax,Mmin為煤層的最大和最小厚度,m;S1為在最大采高時(shí),支架高度留有的富余量,一般取 0.1～0.3m;S2為在最小采高時(shí),頂板可能的下沉量,一般取 0.3～0.4m;a為立柱的卸載高度,一般取50～100mm。

根據(jù)地質(zhì)資料和實(shí)測可知,煤層的厚度變化范圍是 2.65～3.65m,經(jīng)實(shí)測,采煤高度為 2.70～3.20m,則要求支架的高度范圍為 2.2～3.5m。

1.2 初撐力

初撐力是液壓支架的一個(gè)重要參數(shù),我國液壓支架的初撐力一般為額定阻力的 60%～80%,提高支架的初撐力可以減少直接頂?shù)碾x層,增加頂板穩(wěn)定性,可以提高支架對巷道頂板的支撐能力,減少工作面頂板破碎度及煤壁片幫,可壓實(shí)頂梁上和底座下的浮矸,提高支撐系統(tǒng)的剛度,可以充分利用支架額定支撐能力,減少頂?shù)装宓南鄬σ平俊?/p>

實(shí)測表明,隨著初撐力與額定工作阻力比值的增加,實(shí)測支架平時(shí)工作阻力按指數(shù)曲線增長,其回歸方程及曲線方程如下:

式中,Pt為支架平均工作阻力,A,B為常數(shù),但隨地質(zhì)技術(shù)條件而變化,ξ為系數(shù)。

設(shè) P0為支架的初撐力,PH為支架的額定阻力,研究表明,隨著支架 P0/PH比值的增加,Pt值也增加,但當(dāng) P0/PH值達(dá)到 60%～80%以后,Pt曲線斜率逐漸減少,因此,為了使支架發(fā)揮較高的支撐水平,又考慮到立柱安全閥開啟壓力會出現(xiàn)低于額定開啟壓力 10%的工況,故 P0/PH取70%～90%合適,對于涼水井煤礦地質(zhì)條件而言,工作面上方頂板屬于中等穩(wěn)定頂板,因此宜選 P0/PH為 75%～85%合適。

1.3 工作阻力

確定支架合理工作阻力的方法采用 2種:實(shí)測統(tǒng)計(jì)法和理論分析法。為了選擇合理的支架類型,決定采用這 2種方法對支架的阻力分析,綜合取最大者為支架阻力的參考值。

1.3.1 實(shí)測統(tǒng)計(jì)法

支架在工作面支設(shè)時(shí)工作面阻力隨著時(shí)間 t變化曲線為支架運(yùn)行特性,一般呈現(xiàn)為初撐增阻ΔP1,相對平衡和移架前增阻ΔP2這 3個(gè)階段,增阻值ΔP=ΔP1+ΔP2。

支架的最大阻力 Pm=P0+ΔP。

大量統(tǒng)計(jì)資料表明:當(dāng)支架初撐力低于支架-圍巖相對平衡阻力時(shí),同一循環(huán)的支架時(shí)間加權(quán)平均工作阻力 Pt與相對平衡階段的工作阻力相近。

支架的時(shí)間加權(quán)平均工作阻力在每個(gè)循環(huán)是不一樣的,據(jù)統(tǒng)計(jì),其服從正態(tài)分布,故支架合理的工作阻力可用下式表示:

式中,σ^為標(biāo)準(zhǔn)方差,kN;K為置信度系數(shù)。

若以支架每個(gè)循環(huán)最大工作阻力的平均值 Pm作為統(tǒng)計(jì)值,則 K取 1～1.3,則支架的合理工作阻力為:

當(dāng)工作面周期來壓時(shí),應(yīng)按周期來壓間統(tǒng)計(jì)的支架阻力來確定合理工作阻力。由鄰近礦資料可知周期來壓期間支架的最大工作阻力平均值為7452.38kN,標(biāo)準(zhǔn)方差σ^為 134.26kN,則最終支架的支護(hù)阻力為:

1.3.2 理論分析法

確定合理的支護(hù)阻力,首先必須根據(jù)頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究支架與圍巖的相互作用關(guān)系,以便確定最危險(xiǎn)狀態(tài)下的頂板壓力。

淺埋煤層采場周期來壓時(shí),頂板主要有“短砌體梁”和 “臺階巖梁”2種結(jié)構(gòu)形狀,這 2種結(jié)構(gòu)都屬于滑落失穩(wěn)類型,支架主要承受結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形成的壓力,最危險(xiǎn)狀態(tài)的載荷可以說是 “給定”的,支架工作處于 “給定失穩(wěn)載荷”狀態(tài),必須提供必要的支護(hù)力才能維持頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,即由支架和頂板結(jié)構(gòu)共同作用來平衡頂板的滑落失穩(wěn)力,維持頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。雖然淺埋煤層工作面支架處于“給定失穩(wěn)載荷”狀態(tài),但控制頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定所需的支護(hù)阻力不是恒定值,而是隨巖塊的回轉(zhuǎn)運(yùn)動而變化,此外關(guān)鍵塊上的載荷層也不是上方巖柱的靜態(tài)重量,存在載荷傳遞效應(yīng)。

首先以 “短砌體梁”結(jié)構(gòu)為例,說明支護(hù)阻力的確定方法。淺埋煤層工作面周期來壓時(shí)頂板最危險(xiǎn)的狀態(tài)如圖 1所示。

工作面支架的支護(hù)阻力 Pm由直接頂巖柱重量和基本頂滑落失穩(wěn)所傳遞的壓力 RD組成:

圖 1 “短砌體梁”結(jié)構(gòu)的 “支架 -圍巖”關(guān)系

基本頂結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)作用于支架的壓力為:

其中

式中,R為短砌體梁滑落失穩(wěn)的支護(hù)力,將其代入式 (7):

周期來壓期間基本頂關(guān)鍵塊上載荷層的計(jì)算仍然借鑒太沙基巖土壓力計(jì)算原理,頂板載荷 P1的構(gòu)成如圖 2所示。

圖 2 頂板載荷

基本頂關(guān)鍵塊上的載荷層處于采場上覆巖層的離層區(qū),該區(qū)的載荷層處于非壓實(shí)狀態(tài),表明淺埋煤層工作面關(guān)鍵塊上的載荷也不是載荷層的全部重量,存在載荷傳遞效應(yīng),載荷傳遞系數(shù) KG可以表示為:KG=KrKt,其中 Kr為載荷傳遞巖性因子,Kt為載荷傳遞的時(shí)間因子。

由圖 2可知,基本頂關(guān)鍵塊的載荷 Pl由基本頂關(guān)鍵層重量 PG和載荷層傳遞的重量 PZ組成。

式中,h為基本頂關(guān)鍵層厚度;l為關(guān)鍵塊長度(周期來壓步距或者初次來壓步距);γ為基巖體積力;h1為載荷層厚度;γ1為載荷平均體積力;KG為載荷傳遞系數(shù)。

由于載荷層厚度大,仍然按太沙基土壓力計(jì)算原理近似估算載荷傳遞系數(shù),作用于基本頂巖塊的載荷為:

由于 KG=KrKt,聯(lián)立式 (12)和 (13)可得來壓時(shí)載荷傳遞系數(shù):

此時(shí)可得周期來壓時(shí)的載荷傳遞巖性因子為:

式中,φ為載荷層的內(nèi)摩擦角;λ為載荷層側(cè)應(yīng)力系數(shù)。由式 (10)、(11)、 (12)可得作用于關(guān)鍵塊的載荷為:

由式 (6)、 (9)可得,控制頂板所需的支護(hù)阻力為:

按與“短砌體梁”結(jié)構(gòu)支護(hù)阻力計(jì)算相同的方法,可以求得“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)條件下控制頂板所需的支護(hù)阻力為:

考慮支架支護(hù)效率,工作面支架工作阻力為:

其中,μ為支架的支護(hù)效率。

根據(jù)工作面的相關(guān)資料可知:工作面周期來壓步距為 12.7～17.2m,平均為 15.5m;初次來壓步距約為 50.75m?；卷旉P(guān)鍵層厚度為 h=14m,基巖體積力γ =24kN/m3,荷載層平均厚度為 h1=3.5m,荷載層平均體積力γ1=18kN/m3,直接頂厚度為 0.5m,采高 2.65～3.65m,平均為 3.1m,載荷層厚度為 80m,支護(hù)效率μ =0.9,控頂距為6m。

1.3.3 確定控制頂板所需要的支架阻力

(1)按“短砌體梁”結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算

當(dāng) l1=12.7m時(shí),

根據(jù)涼水井煤礦載荷層條件,取得 KG=0.25,將相關(guān)參數(shù)代入計(jì)算公式可得控制頂板在周期來壓期間所需要的支架工作阻力:

當(dāng) l1=12.7m時(shí),PG≥4982.64kN

當(dāng) l2=17.2m時(shí),PG≥2375.34kN

(2)按“臺階巖梁”進(jìn)行計(jì)算:

一般條件下,淺埋煤層頂板結(jié)構(gòu)中,θmax為 8～12°,θ1為 4～6°; θmax為 12°時(shí) , 將參數(shù)代入 “臺階巖梁”計(jì)算支架阻力公式可得:

當(dāng) l1=12.7m時(shí),PG≥6781.65kN

當(dāng) l2=17.2m時(shí),PG≥8111.28kN

綜合這 3種方法來說,支架的支護(hù)阻力 PG≥8111.28kN。

2 工作面支架選型建議

根據(jù)對工作面支架高度、初撐力和工作阻力的分析,建議采用支架的參數(shù)如表 1所示。

表1 工作面支架參數(shù)

3 建議和措施

(1)支架立柱初撐力達(dá)到額定工作阻力 80%的支架應(yīng)占總數(shù)的 60%以上。

(2)無頂梁臺階控制在 200mm內(nèi),頂梁接頂要好,端面距控制在 1000mm內(nèi),梁端距控制在600mm內(nèi);支架頂梁仰俯角控制在 9°內(nèi);片幫冒頂?shù)囟渭訌?qiáng)管理。

(3)推進(jìn)應(yīng)保持合理速度,不要太慢,推進(jìn)速度應(yīng)≥8m/d。

(4)壓力表數(shù)據(jù)采集 3次/d,生產(chǎn)班應(yīng)在升柱之后讀取壓力表數(shù)據(jù),檢修班讀數(shù)時(shí)間應(yīng)固定下來;支架立柱活柱伸縮量觀測,應(yīng)在升柱 2h后進(jìn)行讀數(shù)。

(5)對于堅(jiān)硬難垮落頂板,可采用放炮或高壓預(yù)注水工藝和方法進(jìn)行處理。由于工作面設(shè)計(jì)長度為 200m,注水孔應(yīng)采用雙向布置方式;為了保證鉆孔的滲水部分處于難垮落的堅(jiān)硬巖層中以及頂板有足夠垮落高度,孔底高度一般應(yīng)為 6～10倍采高;孔深 ≤120m,仰角 ≥10°;孔間距為 30～40m;封孔終端距直接頂 2～3m以上;注水量300m3左右;注水壓力應(yīng)根據(jù)注孔長度和流量計(jì)算確定;注水超前開采時(shí)間為 6～9d;注水鉆孔選用YZ-90鉆機(jī)或 FRA鉆機(jī),日進(jìn)控制在 30～40m;封孔可采用砂漿封孔或橡膠封孔器。

(6)及時(shí)處理支架上方的破碎頂板,尤其在周期來壓之前,保持支架整體支護(hù)的平衡。

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TD355.42

B

1006-6225(2010)04-0085-03

2009-08-11

馬 俊 (1973-),男,陜西富平人,助理工程師,現(xiàn)就讀工程碩士。

[責(zé)任編輯:王興庫]