郭子程

(潞安集团余吾煤业，山西 长治 046103)

放顶煤支架选型及适用性研究

郭子程

(潞安集团余吾煤业，山西 长治 046103)

通过顶板结构分析和断裂角理论计算支架载荷,从而确定了架型。现场从支架的实测工作阻力、工作阻力频率分布、左右立柱的受力情况研究支架的适用性。结果表明:从支架的实测工作阻力分析,97%的支架在正常开采过程和来压期间工作阻力都在支架极限载荷以内;从工作阻力频率分布分析,工作面支架压力整体分布呈现正态分布,大部分支架发挥自身承载性能;从支架左右立柱受力分析,各支架左右柱受力比较均匀,平均比值为100.92%,说明支架受力均衡,总体上选型合理,适用性较好。

支架载荷；阻力频率分布；立柱受力

综采放顶煤采煤法作为厚煤层开采的主要方式,放顶煤支架的选型以及适用性显得特别重要。我国学者做了大量的研究,宋选民[1]通过研究支架上方的块体和掩护梁侧的散体对支架的载荷作用,并考虑了煤层倾角的影响,推导支架的工作阻力公式;弓培林[2]运用分形方法对放顶煤的煤体裂隙演化规律进行了探讨,根据实验室的煤体裂隙经历的六个阶段与现场放顶煤的过程进行比较,判断其冒落性;由于放顶煤的冒落与直接顶厚度和强度有关,杨双锁[3]根据冒落的矸石对直接顶的作用,分析对直接顶的作用力;郝万东[4]通过对上覆岩层垮落后形成的五种顶板结构,推导了五种支架阻力模型;赵明[5]使用理论和数值模拟的手段计算了支架的工作阻力;张震[6]对目前使用的两柱和四柱的放顶煤支架进行了理论计算和实测分析,得出两柱式受力比较均衡,并且支架的受力点靠近煤壁,对治理煤壁的片帮具有重要作用;张忠温[7]从结构、载荷分布、电液系统和工况特征对平朔矿区的两柱式放顶煤支架适用性进行了研究;王国法[8]、徐亚军[9]对支架和围岩耦合关系进行了研究,提出了强度、刚度、稳定性耦合关系,并考虑了动载荷和静载荷对支架的作用。

上述研究对支架的研究发展有重要作用,文章根据地质情况,选取支架模型计算工作阻力,并对现场的实测数据进行分析,判断其适用性。

1 支架工作阻力计算

1.1 地质条件

平朔19107工作面为9号煤工作面,上部14107工作面为采空区,二者相距平均8.95 m,工作面长度为297 m,埋深为310 m。9号煤平均厚度12.29 m,含夹矸2层-4层,夹矸为深灰-黑色泥岩、砂质泥岩,直接顶厚1.12 m,泥岩、炭质泥岩、高岭石泥岩互层,老顶厚平均7.83 m,泥岩与砂质泥岩互层,深灰色,性脆,较硬。

1.2 工作阻力计算

1.2.1支护强度计算

1)根据顶板的结构,经过放煤后会产生冒落拱,支架主要承受直接顶和顶煤的载荷,并平衡动载情况,则支架的载荷为:

q=kd(qd+qe)=kd(γdh+γeMe).

(1)

式中:q为支架载荷,MPa;kd为动压系数,取值1.1～1.8;qd为直接顶载荷,MPa;qe为顶煤载荷,MPa;γd为直接顶的容重,kg/m3;h为直接顶的冒落高度,m;γe为顶煤的容重,kg/m3;Me为支架上方的顶煤厚度,m。

(2)

式中:0.8表示放煤率为80%,M为煤层的厚度,m;Kp为碎涨系数,取1.3。

根据公式,计算:

q=1.3[2.4×9.8×32.8+1.4×9.8×

(12.3-3.3)]=1.18 MPa.

为此,所采用的ZFY12000/23/40D系列两柱式液压支架,支护载荷为1.25 MPa ～1.27 MPa,满足要求。

2)根据断裂角确定放顶煤支架支护强度。

θ.

(3)

式中:L为控顶距的长度,m;α为顶煤断裂角,°;一般为70°～120°;θ为顶板断裂角,°;一般为60°～65°。

计算原理与上文式(1)相同,只是h的计算方式不同,按公式(3)计算得:

m.

出于安全考虑,选择支架强度较大的1.18MPa,计算支架阻力。

1.2.2支护阻力计算

P=q(LK+LD)B.

(4)

式中:P为支架工作阻力,kN;LK为控顶距,m;LD为端面距,m;B为支架的宽度,m。根据计算:

P=1.18×(0.343+5.1)×1.5=9 634 kN.

因此,选择的ZFY12000/23/40D系列两柱式满足计算的要求。

2 支架适用性分析

支架的适用性主要反映支架的工作状态,通过支架的实测工作阻力、工作阻力频率分布、左右立柱的受力情况等研究支架选型是否合理。

2.1 支架工作阻力分析

图1为不同位置支架受力图。

1-a 上端头25号支架

1-b 中部65号支架

1-c 下端头145号支架图1 不同位置处支架受力图Fig.1 Force diagram of support at the different position

从图1可以看出:

1)97%的支架在正常开采过程和来压期间工作面阻力都在12 000 kN以下,表明了支架选型的合理性。

2)从支架工作工作阻力的大小来看,整个工作面的压力呈现不均匀分布,中部压力较大,两边的压力较小。这是由于在开采的过程中,顶板出现的“O-X”破断,中部最先发生破裂,作为板结构,其下沉量最大。

3)支架的初撑力较高,很好的发挥了支架的主动支护作用,对控制顶板和煤壁起到作用,支架的利用率较高。

2.2 支架工作阻力频率分布分析

为了判断支架能否满足在正常开采时、受到来压、顶板垮落冲击时的支护要求,需要确定工作阻力的分布范围和频率。如果大多数的支架正常工作时达到自身额定载荷的60%～80%,说明很好的发挥了支架的支撑作用。图2为支架工作阻力分布直方图。

2-a 上端头6-55号支架

2-b 中部65-115号支架

2-c 下端头125-165号支架图2 支架工作阻力分布直方图(分组)Fig.2 Working resistance distribution of support in group

从图2可以看出:

1)工作面压力整体分布呈现正态分布,说明支架的选型比较合理。

2)从工作阻力的直方图分布形态来看,6号、15号、25号、75号、125号、145号支架工作状态正常;65号、85号、105号、135号、155号、165号支架长时间处于低负荷状态,未完全发挥支架支撑力;35号、46号、55号、95号、115号支架长时间处于高负荷状态,对支架和油缸的损害较大。

3)中部支架的正态分布峰值点比上端头和下端头靠后,说明中部支架载荷整体数值偏大,支架所承受的载荷较大。

2.3 支架左右立柱受力分析

19107综放工作面采用的ZFY12000/23/40D两柱式液压支架,采用相同材料和直径的立柱,每根立柱的额定工作阻力为6 000 kN,左柱和右柱都各自设置监测通道,监测支架立柱实时的受力状态,对各架的立柱循环末阻力进行了统计,进而求平均值，图3为支架立柱受力分析图，表1为支架左右柱平均循环末阻力统计表。

3-a 上端头25号支架

3-b 中部65号支架

3-c 下端头145号支架图3 支架立柱受力分析图Fig.3 Force analysis of pillars of hydraulic support

支架阻力/MPa(阻力/额定阻力)/%(左柱/右柱)/%工作面上端工作面中部工作面下端6号25号46号65号95号115号125号145号165号左柱右柱左柱右柱左柱右柱左柱右柱左柱右柱左柱右柱左柱右柱左柱右柱左柱右柱19.3716.2421.3513.9525.7524.3720.8318.0922.8622.9229.3729.3217.9824.3919.0520.7611.4211.8940.6134.0544.7629.2553.9851.0943.6737.9247.9248.0561.5761.4737.6951.1339.9443.5223.9424.93119.23153.01105.69115.1599.73100.1673.7291.7596.00平均左柱20.9343.87右柱20.7443.47100.92

从图3和表1可以看出:

1)各支架左右柱受力比较均匀,左柱受力大约20.93 kN,右柱大约20.74 kN,平均比值为100.92%。左柱受力与右柱受力的比值极小值,出现在125号支架,比例为73.72%,极大值出现在2号支架,比例为153.01%。

2)支架左柱受力总体大于右柱,这是由于开采的地质条件所致,开采的煤层倾角约为5°,向左倾斜。

3 结论

以19107放顶煤工作面为例,通过顶板结构分析理论和断裂角理论确定了工作面支架载荷,并对适用性进行了分析,得出:

1)从支架工作阻力分析,97%的支架在正常开采过程和来压期间工作阻力都在12 000 kN以下,表明了支架选型的合理性。发现整个工作面的压力呈现不均匀分布,中部压力较大,两边的压力较小。

2)从工作阻力频率分布分析,工作面支架压力整体分布呈现正态分布,说明支架的选型比较合理。中部支架的正态分布峰值点比上端头和下端头靠后,说明中部来压强度较大。

3)从支架左右立柱受力分析,各支架左右柱受力比较均匀,左柱受力大约20.93 kN,右柱大约20.74 kN,平均比值为100.92%,说明支架受力均衡,很好的发挥了支撑性能。总体来讲,支架选型较为合理,对此地质条件适用性较好。

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SelectionandApplicabilityofTop-coalHydraulicCavingSupport

GUOZicheng

(YuwuCoalCo.,Ltd.,Lu’anGroup,Changzhi,Changzhi046103,China)

By roof structure analysis and fracture angle theory, caving support load is calculated to determine the type of support. The applicability of the support is evaluated in terms of working resistance, resistance frequency distribution, and the force analysis of the left and right pillars on site. The results show that: the working resistance of 97% supports is within the limit load during normal mining and roof weighting; in terms of working resistance frequency, overall support pressure presents a normal distribution and most supports show the self-bearing function; the forces exerted on the left and right pillars of the support are balanced. Average ratio is 100.92%, which means balanced applied force, reasonable selection, and ideal applicability.

caving support load；resistance frequency distribution；pillar stress

1672-5050(2017)01-0059-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.02.018

2016-10-08

郭子程(1989-)，男，山西长治人，大学本科，工程师，从事煤矿开采技术方面的研究。

TD355.4

A

(编辑:武晓平)