浅埋坚硬煤层大采高关键装备参数优化确定

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1、浅埋坚硬煤层浅埋坚硬煤层6.0m6.0m大采高大采高 关键装备参数优化确定关键装备参数优化确定郭佐宁郭佐宁 黄永安黄永安 党春才党春才 刘韩勇刘韩勇浅埋坚硬煤层浅埋坚硬煤层6.0m6.0m大采高关键装备参数优化确定大采高关键装备参数优化确定作者简介： 郭佐宁（1965-），男，陕西韩城人，高级工程师, 主要从事矿井建设与矿井安全生产管理等工作； 黄永安（1973-），男，陕西韩城人，高级工程师； 党春才（1964-），男，陕西韩城人，工程师； 刘韩勇（1972-），男，陕西韩城人，高级工程师；浅埋坚硬煤层浅埋坚硬煤层6.0m6.0m大采高关键装备参数优化确定大采高关键装备参数优化确定摘要：浅埋

2、坚硬煤层大采高开采中,工作面关键 设备的配套稳定运行是大采高开采的技术关键,文 章系统介绍了工作面关键设备的配套选型过程,为 实现浅埋坚硬煤层大采高工作面安全高效开采提 供了有力的保障。 关键词：浅埋煤层，坚硬煤层，大采高，参数优化浅埋坚硬煤层浅埋坚硬煤层6.0m6.0m大采高关键装备参数优化确定大采高关键装备参数优化确定大采高综采工作面装备配套是实现安全高产 高效的关键技术之一。要使采煤机和刮板机的生 产能力满足工作面的产量要求，支架的移动速度 要跟得上采煤机的牵引速度。采煤机、液压支架 和刮板机在性能、结构、采面空间要求、联接形 式、强度和尺寸等方面，必须互相适应和匹配。0 前言浅埋坚硬煤

3、层浅埋坚硬煤层6.0m6.0m大采高关键装备参数优化确定大采高关键装备参数优化确定陕煤集团神木张家峁矿业有限公司张家峁陕煤集团神木张家峁矿业有限公司张家峁 矿井位于陕西神木县店塔镇，设计年生产能力矿井位于陕西神木县店塔镇，设计年生产能力 600600万吨。首采面开采的是主采煤层万吨。首采面开采的是主采煤层5-25-2煤，该煤，该 煤层位于延安组第一段中部或上部，工作面煤煤层位于延安组第一段中部或上部，工作面煤 层埋藏深度层埋藏深度88.688.6132.9m132.9m，底板标高，底板标高1075.491075.49 1079.28m1079.28m，煤层近水平赋存，属沉积稳定的厚，煤层近水平

4、赋存，属沉积稳定的厚 煤层。煤层。1 1 工程概况工程概况浅埋坚硬煤层浅埋坚硬煤层6.0m6.0m大采高关键装备参数优化确定大采高关键装备参数优化确定5-2煤层直接顶板以泥岩为主，其次为粉砂岩、砂 质泥岩，厚0.7m，呈深灰色，团块状，含大量植物茎 、叶化石，易风化破碎。岩石平均抗压强度为 23.10MPa，属不稳定较稳定型（）；煤层的 基本顶以细粒砂岩为主，次为粉砂岩，厚6.6m，浅灰 色，成份以长石、石英为主，泥钙质胶结，夹黑色条 带，分选区性较好,原生结构有块状层理、槽状层理、 大型板状交错层理。单层厚度大，构造结构面不发育 。抗压强度为10.948.2MPa，平均27.44MPa，属半

5、坚 硬类不易软化岩石，岩体较完整。1 1 工程概况工程概况浅埋坚硬煤层浅埋坚硬煤层6.0m6.0m大采高关键装备参数优化确定大采高关键装备参数优化确定5-2煤层底板以粉砂岩为主，泥岩次之，厚2.3m ，深灰色，块状，含植物根部化石，泥质胶结，夹细 粒砂岩薄层。岩石平均抗压强度26.37MPa，基本属不 稳定型较稳定型（）。 张家峁煤矿的5-2煤层煤层赋存特征，即浅埋深、煤 层与顶板坚硬。首采工作面设计为6.0m大采高工作面 ，设计为两进一回，其中辅运长度1648m，运顺长度 1613m、回顺长度1578m，切眼长度265m，回采面积 1483265m2。1 1 工程概况工程概况浅埋坚硬煤层浅埋

6、坚硬煤层6.0m6.0m大采高关键装备参数优化确定大采高关键装备参数优化确定2.1支架架型确定在复杂开采地质条件下，回采过程中， 采高大，支架重心高，稳定性与可靠性问题 是难题1,2。为确保支架在工作过程中各部 件受力，对支架进行了三维数值计算分析， 如图1和图2所示。2 大采高工作面支架参数确定浅埋坚硬煤层浅埋坚硬煤层6.0m6.0m大采高关键装备参数优化确定大采高关键装备参数优化确定图1 液压支架数值计算模型 图2 液压支架荷载和约束 浅埋坚硬煤层浅埋坚硬煤层6.0m6.0m大采高关键装备参数优化确定大采高关键装备参数优化确定顶梁上加均布压力，前段大小顶梁上加均布压力，前段大小P1=1.5

7、6MPaP1=1.56MPa，后端，后端P2=6.36MPaP2=6.36MPa，合力大小等于支架工作压力，合力大小等于支架工作压力12000kN12000kN。支座。支座底面全部约束。如图底面全部约束。如图3 3所示，支架在顶板压力所示，支架在顶板压力P(P(合力为合力为P)P)、支架自重、支架自重W W、上下邻架挤靠力、上下邻架挤靠力PSPS，PXPX，初撑力，初撑力q(q(合力为合力为Q)Q)、底板反力、底板反力R R作用下处于平衡状态。假设倾斜顶板对支作用下处于平衡状态。假设倾斜顶板对支架产生的压力仍认为它沿重力方向，当顶板压力不断增架产生的压力仍认为它沿重力方向，当顶板压力不断增大，

8、支架立柱达到额定载荷，开启安全阀门调整后，立大，支架立柱达到额定载荷，开启安全阀门调整后，立柱的支撑力就表现为顶板压力的分力，支架所受合力作柱的支撑力就表现为顶板压力的分力，支架所受合力作用点可能要偏出支架下边缘，导致支架倾覆。用点可能要偏出支架下边缘，导致支架倾覆。2 大采高工作面支架参数确定浅埋坚硬煤层浅埋坚硬煤层6.0m6.0m大采高关键装备参数优化确定大采高关键装备参数优化确定图3 支架与围岩相互作用关系在力矩极限平衡条件时，底板反力作用点在在力矩极限平衡条件时，底板反力作用点在O O点处，此时有点处，此时有.(1).(1)(2) (2)式中，式中，h h为支架高度；为支架高度；为工作

9、面煤层倾角；为工作面煤层倾角；B B为支架底座宽为支架底座宽 度；度；b b为支架自重作用方向与支架底座下边缘的水平距离；为支架自重作用方向与支架底座下边缘的水平距离；h h 为重心高度。为重心高度。从式从式(2)(2)可看出可看出b b与与成反比。当支架底座越宽、支架重成反比。当支架底座越宽、支架重 心越低、支架越稳定，适应性越强。降低支架的重心，增加心越低、支架越稳定，适应性越强。降低支架的重心，增加 底座与底板接触面积，使整台支架有稳定性基础。图底座与底板接触面积，使整台支架有稳定性基础。图44图图6 6 分别描述各机构的应力与位移计算结果。分别描述各机构的应力与位移计算结果。浅埋坚硬煤

10、层浅埋坚硬煤层6.0m6.0m大采高关键装备参数优化确定大采高关键装备参数优化确定浅埋坚硬煤层浅埋坚硬煤层6.0m6.0m大采高关键装备参数优化确定大采高关键装备参数优化确定图4 位移分布 图5 顶梁等效应力布 浅埋坚硬煤层浅埋坚硬煤层6.0m6.0m大采高关键装备参数优化确定大采高关键装备参数优化确定图6 连杆的应力分布浅埋坚硬煤层浅埋坚硬煤层6.0m6.0m大采高关键装备参数优化确定大采高关键装备参数优化确定2.22.2支架高度确定支架高度确定 支架支护高度按下式计算确定：支架支护高度按下式计算确定： 最大高度：最大高度： HmaxMmax+S1 . (3)HmaxMmax+S1 . (3

11、) 式中：式中：MmaxMmax- -工作面设计最大采高，取工作面设计最大采高，取6.0m6.0m；S1-S1-伪顶厚度伪顶厚度 或浮煤冒落厚度，取或浮煤冒落厚度，取0.2m0.2m。 最小高度：最小高度： HminMminHminMmin -S2 . (4) -S2 . (4) 式中：式中：MminMmin- -工作面设计最低采高，取工作面设计最低采高，取3.2m3.2m；S2-S2-顶板最大顶板最大 下沉量和支架前移时的最小可缩量，取下沉量和支架前移时的最小可缩量，取0.25m0.25m。 根据以上公式计算，液压支架的最大高度为根据以上公式计算，液压支架的最大高度为6.2m6.2m，最小高

12、，最小高 度度2.95m2.95m左右。左右。浅埋坚硬煤层浅埋坚硬煤层6.0m6.0m大采高关键装备参数优化确定大采高关键装备参数优化确定2.32.3支架工作阻力确定支架工作阻力确定支架与围岩相互作用是个双馈动力学过程。随着开采高度支架与围岩相互作用是个双馈动力学过程。随着开采高度 增加，直接顶和基本顶垮落和运移空间增大，使得基本顶悬臂增加，直接顶和基本顶垮落和运移空间增大，使得基本顶悬臂 长度、回转角度和活动程度增加，支架将承受破断岩层大范围长度、回转角度和活动程度增加，支架将承受破断岩层大范围 运动引起的动载荷，支架易失稳运动引起的动载荷，支架易失稳3,43,4。支架最大工作阻力初步。支架

13、最大工作阻力初步 确定为确定为12000kN12000kN。基于物理模拟和三维数值计算表明：工作面实。基于物理模拟和三维数值计算表明：工作面实 验支架的工作阻力普遍都在验支架的工作阻力普遍都在8000kN8000kN左右工作，个别支架工作阻左右工作，个别支架工作阻 力比初撑力还低。在非来压期间，工作面实验支架的工作阻力力比初撑力还低。在非来压期间，工作面实验支架的工作阻力 并不高，绝大部分支架是在初撑力附近工作，在裂隙贯通地表并不高，绝大部分支架是在初撑力附近工作，在裂隙贯通地表 时实验支架阻力超过时实验支架阻力超过11000kN11000kN，达到最大为，达到最大为11668kN11668k

14、N，小于支架，小于支架 最大工作阻力最大工作阻力12000kN12000kN。浅埋坚硬煤层浅埋坚硬煤层6.0m6.0m大采高关键装备参数优化确定大采高关键装备参数优化确定2.42.4支架支护强度的校验支架支护强度的校验支架支护强度按以下经验公式计算：支架支护强度按以下经验公式计算： P=(6P=(68)M8)M 式中：式中：P-P-支架支护强度，支架支护强度，t/m2t/m2；M-M-采高，取采高，取6.0m6.0m； -顶板岩石容重，取顶板岩石容重，取2.5t/m32.5t/m3。 经计算，液压支架的支护强度为：经计算，液压支架的支护强度为：9090120t/m2120t/m2。 根据支架支

15、护强度的计算，借鉴国内外液压支架选型经验及高产高效工作面根据支架支护强度的计算，借鉴国内外液压支架选型经验及高产高效工作面 的特点，的特点，5-25-2煤回采工作面液压支架的技术参数确定为：架型为掩护式，支煤回采工作面液压支架的技术参数确定为：架型为掩护式，支 撑高度撑高度2.82.86.2m6.2m，支护强度不小于，支护强度不小于120t/m2120t/m2，工作阻力大于，工作阻力大于1000t1000t，推移行，推移行 程不小于程不小于950mm950mm，支架中心距，支架中心距1750mm1750mm。移架方式采用电液阀控制并要求能与。移架方式采用电液阀控制并要求能与 采煤机联动，能显示支架工作状态、故障情况；具有随机操作和成组操作功采煤机联动，能显示支架工作状态、故障情况；具有随机操作和成组操作功 能；移架速度低于能；移架速度低于10s10s。 根据以上技术要求，最终确定根据以上技术要求，最终确定ZY12000/28/63DZY12000/28/63D型掩护式液压支架，主要技术型掩护式液压支架，主要技术 参数为：支撑高度参数为：支撑高度2.82.86.3m6.3m，支架中心距，支架中心距1750mm1750mm，工作阻力，工作阻力12000kN12000kN。3.1 3.1 采煤机稳定性控制采煤机稳定性控制张家峁大采高工