综采放顶煤支架的选型设计与使用

大倾角软煤层综采放顶煤支架的选型设计与使用平煤集团十三矿副矿长孙金柱郑州煤矿机械厂副厂长高有进摘要平煤集团十三矿首采工作面煤层倾角大、煤质软、断层多,在这种条件下实现综采放顶煤的高产高效尚无先例。介绍了郑州煤矿机械厂为该矿设计的综采放顶煤液压支架的结构特点及技术参数,以及平煤十三矿首采工作面的设备管理、采煤工艺及使用效果。关键词大倾角软煤层综采放顶煤综放支架选型设计综采放顶煤在我国已获得巨大成功,但是,在大倾角、软煤层、多断层、有仰采俯采的复杂地质条件下，用综采放顶煤技术实现高产高效尚未见报道。平煤集团十三矿在这种条件下进行了大胆探索,取得了较好的效果。现将有关情况介绍如下。1平煤集团十三矿的地质条件十三矿是平煤集团新开发的矿区,设计年产为180万t。根据已探明的地质资料,地质条件相当复杂,煤层倾角15°～38°,煤层赋存起伏变化大。煤层厚度4～8m,平均厚度6m左右,顶板为砂质泥岩,底板为粉细砂岩。中间有0.05～0.2m3层夹矸。首采11020工作面,煤层厚度4.23～7.53m,平均厚度5.88m,倾角15°～28°,煤质硬度f=0.8～1.5,顶板伪顶为砂质泥岩,厚0～1m;直接顶为Ⅱ类,砂质泥岩,厚1.3m,垮落步距12m;老顶为Ⅱ级细中粒砂岩,厚8～12m,初次来压步距35m;底板为粉砂岩与细砂互层,厚9～12m,抗压强度3.4Mpa。该工作面内有大小断层15条,其中落差5m以上的有两条。从首采面的地质条件可以看出,煤层倾角大,煤质软,断层多,且沿工作面走向起伏变化大。在这样的条件下实现综放工作面高产高效的难度是相当大的。2支架的选型与支架的结构设计2.1对支架的要求针对平煤集团十三矿煤层地质条件及矿区发展规划的要求,选择合理、适用的支架架型就成为我们发展综放技术能否成功的关键。通过对目前国内外有关综采放顶煤液压支架的调研考察,对11020工作面放顶煤液压支架架型提出如下要求:(1)支架要有较高的稳定性和抗扭性能,并配备可靠的防倒防滑系统;(2)回收率要高,能实现采放平等作业;(3)工作时产生的煤尘小;(4)有较好的仰采、俯采性能;(5)放煤口通畅,操作灵活可靠;(6)保证足够的通风断面。根据以上要求选定了后四连杆型式的低位放顶煤液压支架架型。2.2支架工作阻力的计算与确定由于11020工作面是平煤集团十三矿首采综放工作面,在确定支架的工作阻力和支护强度时,采用了平煤集团与之相似的工作面的矿压资料进行计算。(1)按支护重量计算根据首采工作面条件和架型可知:开采煤层计算采高h1=2.5m,顶煤高度h2=3.5m,控顶距长L=4.55m,折算岩层高度h3=9m,支架宽度b=1.5m,煤的容重γ=14kN/m3,岩石容重,γ1=25kN/m3。将上述数据代入式P=K(Q1+Q2)......(1)式中:P——支架工作阻力,kN/架;K——动载系数,取K=2·cosα,(α为煤层倾角,取25°),Q1——顶煤重量(Q1=h2·L·b·r),Q2——折算岩层重量(Q2=h3·L·b·r1)。经计算:P=3149.7kN/架(2)按支护强度折算支护强度的计算依照实测统计法按式q=k·n·m·r进行计算。式中:q——支架的支护强度,kN/m2k——安全系数，取k=1.2～1.5;n——折算系数，n=9.768M-0.79;M——煤层全厚，m;γ1——岩石容重，取25kN/m2。经计算,则有：,q=1.5×9.768×6-0.796×25=533.6kN/m2=0.54MPa按测算出的支护强度，支架的工作阻力应为：P=qH(2)式中：q——支架测算出的支护强度,H——支架正常的有效支护面积。则有：P=533.6×3.95×1.5=3161.8kN/架通过以上计算，支架的工作阻力确定为3200kN/架。2.3结构设计在支架的架型、工作阻力确定之后，结合矿上使用要求对支架的结构设计提出了如下设想：(1)支架总体运输长度小于4.6m，支架重量小于11.5t，保证支架整体下井和运输；(2)采用Y型前连杆、I型后连杆的四连杆机构，保证支架有足够的稳定性和抗扭性；(3)支架后部有足够的空间，保证过煤高度和后部输送机正常工作及维修；(4)支架的顶梁、掩护梁具有较好的封闭性能,防止漏煤、漏矸及冒顶；(5)放煤机构采用尾梁带插板形式；(6)支架有较大的拉架力、推溜力；(7)支架底座前后均设置防滑千斤顶联接装置，顶梁前部设置防倒千斤顶联接装置；(8)考虑到煤层的特点和厚度，支架的结构高度取1.6～2.8m；(9)支架带有先进可靠的喷雾系统。根据以上要求，郑州煤矿机械厂为十三矿设计制造了ZFS3200/16/28型低位放顶煤液压支架。3ZFS3200/16/28型低位放顶煤液压支架的主要技术参数及结构特点3.1结构图(图1)和主要技术参数图1支架结构图ZFX3200/16/28低位放顶煤支架主要技术参数:高度/mm1600/2800工作阻力/kN3200初撑力/kN2844中心距/mm1500支架宽度/mm1430/1600支护强度/MPa0.58底板比压/MPa1.08质量/kg11500泵站压力/MPa233.2主要结构特点(1)支架为支撑掩护式，前连杆为Y型，后连杆为I型单连杆，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、运料通道及后部输送机的管理、维修空间；(2)顶梁结构为整体顶梁带内伸缩梁结构，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和有效控制煤壁片帮；(3)放煤机构为可摆动尾梁带插板结构，既实现了连续敞开的放煤窗口，同时又可随时封闭老塘的矸石，尾梁和插板还可以松动顶煤和切碎大块煤及矸石。这种放煤机构放煤效果好，回收率高，煤尘小；(4)该支架结构件选用了高强度板材，使该支架的重量比同类型、同配套设备的支架重量减少3000kg；(5)侧护千斤顶采用80缸径，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；(6)采用大流量管路系统，实现快速移架；(7)支架尾梁和顶梁前部设有自动喷雾装置，在放煤和移架时可实现自动喷雾灭尘；(8)前推移装置采有160缸径千斤顶倒装整体长框架结构，有足够大的移架力和推溜力，并可防止输送机上窜下滑。后推移千斤顶采用导向装置，有效地防止了活塞杆弯曲变形损坏及输送机上窜下滑；(9)支架初撑力较大,达2844kN，占工作阻力的88.8%,减少了顶煤或顶板的下沉量，提高了支护质量并减少了煤尘；(10)支架防倒防滑装置采用三架一组，组合联动形式，底座间前后设防滑千斤顶，顶梁间设防倒千斤顶；工作面端部第一架与第三架设斜拉千斤顶，增加防倒或防滑的可靠性。411020综放工作面的设备管理与采煤工艺为保证首放工作面一次成功并达到预期效果，在投产前就组建了高素质的综采队伍并制定了严格的作业规程和科学合理的采煤工艺。(1)为确保高素质的综采队伍，在投产前组织生产骨干到使用同类型综采设备比较好的兄弟局矿进行现场培训学习，在此基础上，对井下工作人员进行全员培训并进行理论和实践考核，择优上岗；(2)在生产管理上制定了如下作业规程：实行“四六”工作制，三班采煤，一班检修；工作面支架与运输机采取5°～７°伪倾斜布置，一方面人为地减少了实际倾角，同时又使推移装置有一倾斜向上的推力，阻止输送机下滑；工作面设备管理要达到如下要求：采高严格控制在2300±100mm,支架排成一条直线，偏差±50mm,支架中心距控制在1500±100mm,相邻支架间支架不挤不咬,相邻支架间的错差不超过顶梁侧护板高的2/3,煤壁平直偏差小于100mm,支架梁端距小于340mm,输送机排成一直线，50m范围内偏差小于±50mm，弯曲段长度小于15m；每采一刀输送机上浮、下扎不超过100mm；工作面支架采用编号管理；在生产中组织检查，发现不合格者立即纠正并对违章者进行经济处罚；上下端头和三角区的支护，采用钢梁抬棚，相互重叠，一梁三柱交替迈步前移的支护形式。(3)工作面的采放工艺如下:工作面采用双向割煤，单向移架，上行割煤，上行移架；下行割煤时，每隔5～6架为一分段实行分段上行移架；采煤机割煤后，立即伸出伸缩梁对顶板进行超前支护。移架前，先检查尾梁插板与后部输送机的位置，确保先移后部输送机再移架。移架时，降架量不超过侧护板的2/3，保持邻架间相互导向，防止挤架咬架。移架后，及时调整尾梁插板与后部输送机的位置，保证有500mm以上的过煤空间，并防止插板插到溜槽内卡绊刮板。移机头架的顺序是3#、1#、2#,移3#架以2#架为导向，防止下滑，移1#架以2#架为掩护防止窜矸；移机头、机尾过渡架时，应先检查三角区梁柱、上下出口的托棚、抬棚是否安全并撤离人员；支架若出现咬架、挤架、倒架时，应掌握好拉架顺序并及时处理，不能硬拉硬拽。采两刀放一次煤即每采1.2m放一次煤，并采用自下而上单顺序放煤工艺。达到放煤步距后，待后部输送机正常运转后，才能开始放煤作业；放煤出现大块时，可升降尾梁，用插板挤碎大块，但要注意防止插板卡住后部输送机；当放煤时，严格控制放煤量，严禁将大块矸石放出，放煤结束后，立即挑起尾梁，伸出插板关闭放煤口；支架歪斜、倾倒，架前漏顶、空顶时，不得在该处放煤；当采放平行作业时，放煤工作必须在采煤机前后10m以外作业。5经济效益分析与结论由于选型合理，设计先进可靠，严格科学的现场管理及采放工艺，使得ZFS3200/16/28型低位放顶煤液压支架在平煤集团十三矿试生产时很快获得成功，并取得很好的经济效益。根据不完全统计，该支架于1998年12月开始试生产，当月产量达6.05万t；1999年元月到3月份产量分别达到7.2万t、7.5万t、10.8万t；回收率达到86.5%；工作面的生产能力很快就达到了百万吨以上的水平。若没有大断层和配套环节影响，该套支架的生产能力还可更高，完全达到并超过了我们预期的经济效果。