论文部分内容阅读
【摘 要】根据山西铺龙湾煤业有限公司矿井煤层地质条件，对矿井现用的ZF6400/18/28型综放液压支架在使用中存在的问题进行分析、研究，提出改进办法，并对支架架型和基本参数进行计算与分析，为山西铺龙湾煤业有限公司矿井综放液压支架选型提供了可借鉴的技术依据。
【关键词】综放液压支架；选型；参数确定
【中图分类号】TD355.42 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）07-0148-02
0 前言
山西铺龙湾煤业有限公司矿井的设计生产能力为120万t/a，采用综采放顶煤全部垮落采煤法，进入5#煤层开采以来，产量一直不高，且压架丢煤等现象日益严重。为确保矿井工作面生产系统安全、高产、高效，根据5#煤层地质条件，结合使用现用综放液压支架存在的问题，对支架选型和参数确定进行深入分析与研究，确保矿井取得最佳的经济效益。
1 煤层地质情况
山西铺龙湾煤业有限公司的矿井田主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，含煤地层总厚147～193 m，一般厚171 m，其中煤层总厚12.72～31.72 m，平均厚度为21.98 m，含煤系数为12.8%，可采煤层有石炭系上统太原组的4#、5#、8#煤层。5#煤层厚度为5.05～12.06 m，平均厚度为8.55 m，为稳定全区可采煤层，结构简单到复杂，含2～5层夹石。顶板为砂质泥岩、细粒砂岩、粉砂岩，厚度为4.19～22.17 m，平均厚度为11.59 m；底板为砂质泥岩、细粒砂岩、粉砂岩，厚度为10.38～13.95 m，平均厚度为12.53 m。
2 存在问题
2.1 发现的问题
5#煤层5101工作面可采长度为1 266 m；倾向长149.5 m；设计采高2.6 m，放煤高度为5.95 m，采放比为1∶2.28，采用ZFG6400/18/28型综放液压支架支护，工作阻力为
6 400 kN，初撑力为5 232 kN，高度为1 800～2 800 mm。该支架是根据4#煤层地质条件选型，进入5#煤层开采以来，经常出现如下问题：①液压支架跑冒滴漏现象严重。②割煤及周期来压时支架自降现象严重。③结构件严重变形、损坏、报废。④放煤效果不好，顶煤放不尽，大块煤丢失、堵塞严重。⑤采高过低，导致后运输机过煤空间不足，大块煤堵塞现象严重。⑥采放比不合理，回采效率低。⑦支架工作阻力小，初撑力不达标，二次破煤能力差。⑧维修空间小，材料及修理成本消耗大。⑨支架事故率高，生产量日益下降。综上所述，该支架性能已经不能满足工作面正常生产需要，且维护费用高，劳动强度大，生产效率低，已成为威胁矿井安全生产的重大隐患，影响矿井的经济效益。
2.2 原因分析
现根据5#煤层地质条件及5#煤层5101工作面生产过程中存在的问题，结合矿井对5101工作面来压情况、来压规律、超前破坏监测情况的分析，认为主要原因如下。
（1）4#煤层与5#煤层地质条件不同，现用支架各方面性能指标不适合用于5#煤层开采。
（2）支架钢材的材质不好，钢材强度不高，经常出现结构件开裂变形、铰接孔严重损坏等现象，支架结构件及放煤机构需要采用高强度钢材，提高支架的耐久性、稳定性、抗扭性能。
（3）支架工作阻力偏小，初撑力不达标，远不能承受顶板的剧烈来压，导致如下问题：①工作面跑冒滴漏现象严重。②割煤及周期来压时支架自降现象严重，加大了采煤机司机的劳动强度；周期来压时为防止压架现象发生，确保采煤顺利进行，必须舍弃顶煤直接向前推进，避免顶煤丢失过多，浪费矿产资源。③减少顶煤在支承压力、顶板回转和支架反复支撑共同作用的破碎情况，放煤效果极差，导致大块煤堵塞后运输机现象时常发生，从而诱发后运输机断链等事故。④支架间顶梁错差经常超过2/3，部分支架出现不接顶现象。需要根据地质情况重新选型计算，加大初撑力，提高支架的支护能力，防止顶煤和上覆岩层过早离层，防止顶煤跨落切顶线前移，确保支架阻力适应顶板岩层移动所产生的压力，使控顶区的顶板下沉量控制在最低程度，确保工作面的安全生产。
（4）采高过低，导致如下问题：①支架后部落放煤的运输空间不足，大块煤通过困难，并且移架阻力较大。②造成顶煤流动不畅，大部分大块顶煤落在采空区侧，影响放顶煤工序的进行和顶煤的运出及顶煤回收率过低生产，生产效率低。③空间太小影响设备维修及人员通行和安全生产，给安全生产带来严重隐患。
（5）采放比不合理，顶煤回收率过低，为保证采放比设计合理，确保采放比小于1∶3，以提高回采效率。为确保5#层后续综放工作面能够安全生产，应及时对综放支架进行重新选型。
3 液压支架架型的选择
支架的架型选择应使支架与工作面地质条件相适应，支架结构与煤层赋存条件、矿压显现规律相适应，支护断面与通风要求相适应，液压支架与工作面采煤机、前刮板输送机等设备相匹配。目前，国内外一次采全高液压支架架型主要有2种：掩护式（两柱）液压支架和支撑掩护式（四柱）液压支架。针对矿井5#煤层的地质特征，按照我国煤炭行业《缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类标准》（MT/T 554—1996），选择合理的放顶煤形式，保证放煤效果和落装煤的运输空间，这是保证发挥综放设备效能的重要条件。本着投资适度、能力有余的原则，做到最佳的投入产出比，确保工作面快速推进，应选用四柱支撑掩护式放顶煤液压支架。
4 液压支架参数
4.1 结构高度的确定
山西鋪龙湾煤业有限公司的矿井为缓倾斜煤层，综放工作面采高主要由煤层存储厚度、工作面生产能力及顶板状态决定，一般采高控制在2.6 m左右。支架结构高度的选择：①确保支架整体运输高度合理，避免拆解撤架现象发生，将采煤机采煤的最大高度确定为3.2 m。②根据工作面三机配套原则、采煤机自身高度及前运输机高度，确定最小高度为2.2 m。③采煤机割煤速度必须大于液压支架放煤速度。④工作面通风必须合理。⑤液压支架后部空间必须足够大。⑥支架最大采高和最小采高时考虑立柱伸缩富余量取300 mm计算。⑦确定综放工作面的采高取2.8～3.2 m。根据煤层地质条件及采高的确定，支架的结构高度定在1 800～3 500 mm，确保工作面高产、高效。 4.2 支架阻力的确定
液压支架的工作阻力是指支架的承载能力，也称为支架的合力，是支架的重要参数之一。根据矿井地质条件，已知顶煤断裂角（α）一般为70°～120°，现取120°，顶板断裂角（θ）一般为60°～65°，现取65°，顶煤厚度（h）为9.06 m，有效控顶距（L）为4.691 m，顶煤的容重（r）为14.5 kN/m3，顶板岩石的容重（R）为26 kN/m3，考虑到影响支架阻力因素的复杂性及煤矿开采过程中的不可预测性，动载备用系数k取1.5，空顶距（C）为0.34 m，支架中心距（B）为1.5 m，支护效率（g）为90%，确定对支架有直接影响的岩层厚度H，采用断裂角确定综放支架的支护强度Q，再确定工作阻力F。
根据公式计算如下：
H=（L+h/tanα）tanθ=（4.691+9.06/tan120°）×tan65°=21.3 m
Q=k（rh+RH）=1.5×（14.5×9.06+25×21.3）=995.8 kN/m2
F=Q（C+L）B/g=995.8×（0.34+4.691）×1.5/0.9=
8 349 kN
通过上述计算，考虑到一些不确定因素，支架工作阻力应当适当提高，矿井5#煤层支架的工作阻力确定为9 000 kN。
4.3 支架初撑力的确定
我国一般将综放支架的初撑力控制在工作阻力的70%～90%。根据矿井煤层赋存条件、支架立柱数量及缸径、乳化液泵站压力，矿井液压支架初撑力确定为工作阻力的86%较合理，根据公式P=Q×86%计算，则矿井液压支架初撑力为P=9 000×86%=7 760 kN。
4.4 支架梁端距及中心距的确定
梁端距是指移架后顶梁前端至煤壁的距离，考虑工作面三机配套原则及采煤机仰采5°的要求，为避免采煤机割煤时割到顶梁而留的安全距离，一般取280～340 mm比较合理，同时也符合《煤矿安全规程》的要求。根据支架稳定性要求，支架中心距一般取工作面一节溜槽的长度为1.5 m，确保三机配套的先进、合理。
根据上述参数确定，山西铺龙湾煤业有限公司的矿井选用ZF9000/18/35型综放液压支架比较合理。ZF9000/18/35型液压支架的主要技术指标如下：工作阻力为9 000 kN，初撑力为7 760 kN，高度为1 800～3 500 mm。
5 结语
ZF9000/18/35型综放液压支架是在借鉴和吸收矿井现用支架使用经验的基础上选择的，使支架采高、结构件强度、后部空间、放煤效率等都有所提高，稳定性、抗冲击、抗扭性、材质明显加强，同时提高劳动生产率，降低工人劳动强度，减少了材料消耗，符合高产、高效生产的要求，有效保证了山西铺龙湾煤业有限公司矿井的安全生产。
参 考 文 献
[1]王國法.液压支架技术[M].北京：煤炭工业出版社，1999.
[2]崔志刚.煤矿液压支架与泵站的维修及故障处理[M].北京：煤炭工业出版社，2016.
[3]王国法.高效综合机械化采煤成套装备技术[M].江苏：中国矿业大学出版社，2008.
[责任编辑：陈泽琦]
【关键词】综放液压支架；选型；参数确定
【中图分类号】TD355.42 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）07-0148-02
0 前言
山西铺龙湾煤业有限公司矿井的设计生产能力为120万t/a，采用综采放顶煤全部垮落采煤法，进入5#煤层开采以来，产量一直不高，且压架丢煤等现象日益严重。为确保矿井工作面生产系统安全、高产、高效，根据5#煤层地质条件，结合使用现用综放液压支架存在的问题，对支架选型和参数确定进行深入分析与研究，确保矿井取得最佳的经济效益。
1 煤层地质情况
山西铺龙湾煤业有限公司的矿井田主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，含煤地层总厚147～193 m，一般厚171 m，其中煤层总厚12.72～31.72 m，平均厚度为21.98 m，含煤系数为12.8%，可采煤层有石炭系上统太原组的4#、5#、8#煤层。5#煤层厚度为5.05～12.06 m，平均厚度为8.55 m，为稳定全区可采煤层，结构简单到复杂，含2～5层夹石。顶板为砂质泥岩、细粒砂岩、粉砂岩，厚度为4.19～22.17 m，平均厚度为11.59 m；底板为砂质泥岩、细粒砂岩、粉砂岩，厚度为10.38～13.95 m，平均厚度为12.53 m。
2 存在问题
2.1 发现的问题
5#煤层5101工作面可采长度为1 266 m；倾向长149.5 m；设计采高2.6 m，放煤高度为5.95 m，采放比为1∶2.28，采用ZFG6400/18/28型综放液压支架支护，工作阻力为
6 400 kN，初撑力为5 232 kN，高度为1 800～2 800 mm。该支架是根据4#煤层地质条件选型，进入5#煤层开采以来，经常出现如下问题：①液压支架跑冒滴漏现象严重。②割煤及周期来压时支架自降现象严重。③结构件严重变形、损坏、报废。④放煤效果不好，顶煤放不尽，大块煤丢失、堵塞严重。⑤采高过低，导致后运输机过煤空间不足，大块煤堵塞现象严重。⑥采放比不合理，回采效率低。⑦支架工作阻力小，初撑力不达标，二次破煤能力差。⑧维修空间小，材料及修理成本消耗大。⑨支架事故率高，生产量日益下降。综上所述，该支架性能已经不能满足工作面正常生产需要，且维护费用高，劳动强度大，生产效率低，已成为威胁矿井安全生产的重大隐患，影响矿井的经济效益。
2.2 原因分析
现根据5#煤层地质条件及5#煤层5101工作面生产过程中存在的问题，结合矿井对5101工作面来压情况、来压规律、超前破坏监测情况的分析，认为主要原因如下。
（1）4#煤层与5#煤层地质条件不同，现用支架各方面性能指标不适合用于5#煤层开采。
（2）支架钢材的材质不好，钢材强度不高，经常出现结构件开裂变形、铰接孔严重损坏等现象，支架结构件及放煤机构需要采用高强度钢材，提高支架的耐久性、稳定性、抗扭性能。
（3）支架工作阻力偏小，初撑力不达标，远不能承受顶板的剧烈来压，导致如下问题：①工作面跑冒滴漏现象严重。②割煤及周期来压时支架自降现象严重，加大了采煤机司机的劳动强度；周期来压时为防止压架现象发生，确保采煤顺利进行，必须舍弃顶煤直接向前推进，避免顶煤丢失过多，浪费矿产资源。③减少顶煤在支承压力、顶板回转和支架反复支撑共同作用的破碎情况，放煤效果极差，导致大块煤堵塞后运输机现象时常发生，从而诱发后运输机断链等事故。④支架间顶梁错差经常超过2/3，部分支架出现不接顶现象。需要根据地质情况重新选型计算，加大初撑力，提高支架的支护能力，防止顶煤和上覆岩层过早离层，防止顶煤跨落切顶线前移，确保支架阻力适应顶板岩层移动所产生的压力，使控顶区的顶板下沉量控制在最低程度，确保工作面的安全生产。
（4）采高过低，导致如下问题：①支架后部落放煤的运输空间不足，大块煤通过困难，并且移架阻力较大。②造成顶煤流动不畅，大部分大块顶煤落在采空区侧，影响放顶煤工序的进行和顶煤的运出及顶煤回收率过低生产，生产效率低。③空间太小影响设备维修及人员通行和安全生产，给安全生产带来严重隐患。
（5）采放比不合理，顶煤回收率过低，为保证采放比设计合理，确保采放比小于1∶3，以提高回采效率。为确保5#层后续综放工作面能够安全生产，应及时对综放支架进行重新选型。
3 液压支架架型的选择
支架的架型选择应使支架与工作面地质条件相适应，支架结构与煤层赋存条件、矿压显现规律相适应，支护断面与通风要求相适应，液压支架与工作面采煤机、前刮板输送机等设备相匹配。目前，国内外一次采全高液压支架架型主要有2种：掩护式（两柱）液压支架和支撑掩护式（四柱）液压支架。针对矿井5#煤层的地质特征，按照我国煤炭行业《缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类标准》（MT/T 554—1996），选择合理的放顶煤形式，保证放煤效果和落装煤的运输空间，这是保证发挥综放设备效能的重要条件。本着投资适度、能力有余的原则，做到最佳的投入产出比，确保工作面快速推进，应选用四柱支撑掩护式放顶煤液压支架。
4 液压支架参数
4.1 结构高度的确定
山西鋪龙湾煤业有限公司的矿井为缓倾斜煤层，综放工作面采高主要由煤层存储厚度、工作面生产能力及顶板状态决定，一般采高控制在2.6 m左右。支架结构高度的选择：①确保支架整体运输高度合理，避免拆解撤架现象发生，将采煤机采煤的最大高度确定为3.2 m。②根据工作面三机配套原则、采煤机自身高度及前运输机高度，确定最小高度为2.2 m。③采煤机割煤速度必须大于液压支架放煤速度。④工作面通风必须合理。⑤液压支架后部空间必须足够大。⑥支架最大采高和最小采高时考虑立柱伸缩富余量取300 mm计算。⑦确定综放工作面的采高取2.8～3.2 m。根据煤层地质条件及采高的确定，支架的结构高度定在1 800～3 500 mm，确保工作面高产、高效。 4.2 支架阻力的确定
液压支架的工作阻力是指支架的承载能力，也称为支架的合力，是支架的重要参数之一。根据矿井地质条件，已知顶煤断裂角（α）一般为70°～120°，现取120°，顶板断裂角（θ）一般为60°～65°，现取65°，顶煤厚度（h）为9.06 m，有效控顶距（L）为4.691 m，顶煤的容重（r）为14.5 kN/m3，顶板岩石的容重（R）为26 kN/m3，考虑到影响支架阻力因素的复杂性及煤矿开采过程中的不可预测性，动载备用系数k取1.5，空顶距（C）为0.34 m，支架中心距（B）为1.5 m，支护效率（g）为90%，确定对支架有直接影响的岩层厚度H，采用断裂角确定综放支架的支护强度Q，再确定工作阻力F。
根据公式计算如下：
H=（L+h/tanα）tanθ=（4.691+9.06/tan120°）×tan65°=21.3 m
Q=k（rh+RH）=1.5×（14.5×9.06+25×21.3）=995.8 kN/m2
F=Q（C+L）B/g=995.8×（0.34+4.691）×1.5/0.9=
8 349 kN
通过上述计算，考虑到一些不确定因素，支架工作阻力应当适当提高，矿井5#煤层支架的工作阻力确定为9 000 kN。
4.3 支架初撑力的确定
我国一般将综放支架的初撑力控制在工作阻力的70%～90%。根据矿井煤层赋存条件、支架立柱数量及缸径、乳化液泵站压力，矿井液压支架初撑力确定为工作阻力的86%较合理，根据公式P=Q×86%计算，则矿井液压支架初撑力为P=9 000×86%=7 760 kN。
4.4 支架梁端距及中心距的确定
梁端距是指移架后顶梁前端至煤壁的距离，考虑工作面三机配套原则及采煤机仰采5°的要求，为避免采煤机割煤时割到顶梁而留的安全距离，一般取280～340 mm比较合理，同时也符合《煤矿安全规程》的要求。根据支架稳定性要求，支架中心距一般取工作面一节溜槽的长度为1.5 m，确保三机配套的先进、合理。
根据上述参数确定，山西铺龙湾煤业有限公司的矿井选用ZF9000/18/35型综放液压支架比较合理。ZF9000/18/35型液压支架的主要技术指标如下：工作阻力为9 000 kN，初撑力为7 760 kN，高度为1 800～3 500 mm。
5 结语
ZF9000/18/35型综放液压支架是在借鉴和吸收矿井现用支架使用经验的基础上选择的，使支架采高、结构件强度、后部空间、放煤效率等都有所提高，稳定性、抗冲击、抗扭性、材质明显加强，同时提高劳动生产率，降低工人劳动强度，减少了材料消耗，符合高产、高效生产的要求，有效保证了山西铺龙湾煤业有限公司矿井的安全生产。
参 考 文 献
[1]王國法.液压支架技术[M].北京：煤炭工业出版社，1999.
[2]崔志刚.煤矿液压支架与泵站的维修及故障处理[M].北京：煤炭工业出版社，2016.
[3]王国法.高效综合机械化采煤成套装备技术[M].江苏：中国矿业大学出版社，2008.
[责任编辑：陈泽琦]