采煤工作面支架選型分析

李冰冰

(新疆煤礦安全監(jiān)察局東疆監(jiān)察分局,新疆烏魯木齊 831400)

采煤工作面支架選型分析

李冰冰

(新疆煤礦安全監(jiān)察局東疆監(jiān)察分局,新疆烏魯木齊 831400)

采煤工作面中,需要用各種支架支護(hù)采煤工作面的頂板,以保證采煤工作面能夠安全而正常進(jìn)行。采煤工作面支架應(yīng)具有支、護(hù)、穩(wěn)三個(gè)方面的性能,即采煤工作面支架對(duì)頂板支得起、護(hù)得好、穩(wěn)得住。從這三個(gè)方面進(jìn)行分析研究,得出采煤工作面支架選型的依據(jù)與計(jì)算方法,為礦井在采煤工作面支架選型提供參考。

頂板壓力 支護(hù)密度 頂板下沉 液壓支架

近年來我國煤炭行業(yè)發(fā)展迅速,采煤技術(shù)也日新月異。大多數(shù)煤礦實(shí)現(xiàn)了綜合自動(dòng)化采煤,工作面支護(hù)方式發(fā)生了很大改變。總的說來,我國煤礦工作面支護(hù)方式既有液壓支架,也有液壓支柱,也有液壓支柱或磨擦支柱,有的礦井局部地段還在使用木垛支護(hù)。不管是哪種支護(hù)方式,選擇什么樣的支護(hù)設(shè)備,其目的都為保證采煤工作面能夠安全而正常生產(chǎn)。這就需要采煤工作面支架具有共同的基本性能,既支得起、護(hù)得好、穩(wěn)得住。

1 采煤工作面支架應(yīng)支得起

所謂支得起,也就是支架在其工作全過程能夠支撐住頂板所施加的壓力,這里必須包括支撐力和可縮量兩方面。如果支架支撐力不夠,而被損壞,就無法再支撐頂板;如果支架可縮量不夠,適應(yīng)不了頂板下沉而被損壞,也無法再支撐頂板。當(dāng)支架支不起頂板時(shí),將會(huì)導(dǎo)致壓冒型冒頂。要想支架支的起,需從頂板壓力、支護(hù)密度和頂板下沉量綜合考慮。

1.1 頂板壓力的確定

如果冒落帶全是直接頂,回柱放頂后隨著冒落,則所需支撐的冒落帶巖層的重力就是控頂距上方冒落帶巖層的重力;如果冒落帶中有基本頂或冒落帶巖層在回柱放頂后不延放頂線冒落而采空區(qū)有懸頂,則情況就很復(fù)雜。因此,至今主要還是憑經(jīng)驗(yàn)的估算來確定采煤工作面支架所應(yīng)承受的頂板壓力。即頂板壓力P為4～8倍的采高巖層重力,其公式為:

P=10×(4～8)Mγ

式中P——頂板壓力,KN/m2

M——煤層采高,m

γ——頂板巖層平均視密度,t/m3

應(yīng)用公式時(shí)要考慮直接頂?shù)暮穸?直接頂厚時(shí)取小的系數(shù),直接頂薄時(shí)取大的系數(shù)。

1.2 支護(hù)密度的確定

估算頂板壓力之后,對(duì)于應(yīng)用單體支柱的工作面,還要確定支護(hù)密度。支柱試壓時(shí)的實(shí)際允許最大工作阻力往往低于額定工作阻力,因此在決定支柱密度時(shí),不能用支柱的額定工作阻力,只能用支柱實(shí)際允許的最大工作阻力;采煤工作面中每排支柱的額定工作阻力都不同,還應(yīng)該考慮工作面支柱的平均工作阻力。

采煤工作面支架的排距需綜合考慮最有效的采煤進(jìn)度或采煤機(jī)截深、頂梁長度、頂板狀況等因素后確定。一般情況下,支柱的排距是采煤工作面每次割煤進(jìn)度或采煤機(jī)截深的整倍數(shù)。

排距決定后,可按下列程序求算柱距

(1)設(shè)頂板壓力為P(KN/m2),支柱的平均工作阻力為P′(KN/根),則每根支柱能支撐頂板的面積為P′/P。

(2)設(shè)排拒為L排,柱距為L柱,則每根支柱支撐頂板的面積為L排×L柱。則:

L排×L柱=P′/P

即 L柱 = P′/(P×L排)

考慮到機(jī)道的寬度往往大于排拒,因此,引進(jìn)修正系數(shù)k。當(dāng)排拒為0.8米時(shí),k=1.2;當(dāng)排拒為1米,k=1.1米;排拒為1.2米時(shí),k=1.0。股上式可改寫為:

L柱= P′/(P×L排k)

以上是采煤工作面基本支架的設(shè)計(jì)計(jì)算,是從采煤工作面支架總體出發(fā)考慮的。如果開采煤層有實(shí)測的頂板壓力的數(shù)據(jù),則在計(jì)算時(shí)可以用該數(shù)據(jù)代替經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)P。

此外,為確保工作面不被基本頂壓垮,當(dāng)工作面有基本頂來壓時(shí),還應(yīng)增加動(dòng)載系數(shù),以保證對(duì)工作面的支護(hù)。

1.3 頂板下沉量的確定

基本頂下沉來壓時(shí),頂板施加在支架上的壓力比平時(shí)大得多,頂板下沉量也比平時(shí)大,因此,支得起主要對(duì)直接頂而言,而對(duì)基本頂則要利用支架的可縮量來適應(yīng)。由于各種支護(hù)設(shè)備不同,其可縮量也不相同,選型前需要計(jì)算頂板下沉量及考察支柱的可縮量。

據(jù)大量實(shí)測資料得知,頂板下沉量與采高成正比,與距煤幫距離成正比,其比例常數(shù)η為0.025～0.05(緩傾斜煤層應(yīng)取0.04～0.05)。因此,頂板下沉量SL估算公式為

SL=η×M×L

式中 M——煤層采高,m

L——距煤幫距離,m

應(yīng)該指出,頂板下沉量并不等于支柱下縮量。因?yàn)轫敯逑鲁亮渴怯身斄簤嚎s量、支柱下縮量以及支柱插入底板量等組成。

2 采煤工作面支架對(duì)頂板應(yīng)能護(hù)得好

所為護(hù)得好,有兩方面的含義:一方面要求采煤工作面支架能控制住工作空間的頂板使其一點(diǎn)都不冒落;另一方面應(yīng)保證回柱工人在有支護(hù)的地點(diǎn)進(jìn)行工作。即護(hù)頂和護(hù)人,兩者缺一不可。

直接頂內(nèi)可能存在著各種原生裂隙、構(gòu)造裂隙和采動(dòng)裂隙,從而導(dǎo)致頂板破碎?；夭珊笕绮患皶r(shí)支護(hù),可能導(dǎo)致頂板冒落;作業(yè)活動(dòng)不慎弄倒支架時(shí),也可能造成頂板冒落。

直接頂根據(jù)裂隙發(fā)育程度,可分為完整、中等穩(wěn)定和破碎三類。針對(duì)三類頂板要想護(hù)得好,應(yīng)做好以下工作。

(1)當(dāng)采用單體支架時(shí),對(duì)完整的直接頂使用帶帽頂柱即可;對(duì)中等穩(wěn)定的直接頂,棚梁應(yīng)垂直裂隙布置,一般棚子多由一梁二柱組成,也可采用單體柱加鉸接頂梁布置;對(duì)破碎的直接頂,則頂梁上要加背板且要背嚴(yán),棚子的梁與梁之間還應(yīng)采取加木背板、竹笆或荊笆等護(hù)頂措施;對(duì)于特別破碎的頂板,回采前需掏梁窩超前支護(hù)。

(2)當(dāng)采用液壓支架時(shí),對(duì)于完整的直接頂,宜用支撐式支架;對(duì)中等穩(wěn)定或破碎的直接頂,則宜用掩護(hù)式或支撐掩護(hù)式支架。

為確保支架回撤時(shí)工作人員的安全,提出以下建議:

(1)用回柱絞車回支柱。

(2)回摩擦支柱用彈簧槍或長柄錘退楔絞車?yán)?/p>

(3)盡量使用液壓放頂支架。

直接頂是頂板冒落的根源,護(hù)得好主要是針對(duì)直接頂?shù)?。護(hù)得好需做到支架的選擇與支護(hù)方式合理,支架的回撤措施安全到位。

3 采煤工作面支架對(duì)頂板應(yīng)穩(wěn)得住

3.1 因支架的穩(wěn)定性不夠而導(dǎo)致的冒頂類型

當(dāng)煤層頂板為復(fù)合頂板時(shí),由于生產(chǎn)活動(dòng)影響及裂隙、構(gòu)造切割等,頂板中會(huì)存在一個(gè)與上位硬巖離層并與周圍巖體割斷的六面體。如果六面體沿傾斜方向沒有阻擋,傾斜向下方推力。此推力在一定條件下會(huì)推倒支架而導(dǎo)致冒頂。

因支架的穩(wěn)定性不夠,不能抵抗巖層的推力而導(dǎo)致的冒頂有以下幾種情況:

(1)如果頂板中存在有斷層、裂隙、層理等切割而形成的大塊游離巖塊,回柱后游離巖塊就會(huì)旋轉(zhuǎn),從而推倒采煤工作面支架而導(dǎo)致冒頂。

(2)在金屬網(wǎng)假定下回柱放頂時(shí),如果網(wǎng)上有大塊游離巖塊,也會(huì)發(fā)生上述的游離巖塊旋轉(zhuǎn)而推倒采煤工作面支架導(dǎo)致冒頂。

(3)當(dāng)基本頂急劇下沉?xí)r,可能迫使直接頂推倒采煤工作面支架而冒頂。在斷層帶附近也有類似情況。

因此,所謂穩(wěn)得住就是要求支架具有抵抗來自層面方向推力的能力,煤層傾角越大,對(duì)支架穩(wěn)定性也就越高。

3.2 穩(wěn)住頂板的方法

有三種方法可以使采煤工作面支架對(duì)頂板穩(wěn)得住:

(1)支架結(jié)構(gòu)本身是穩(wěn)定的,有抵抗來自層面推力的能力。如掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式液壓支架,或金屬支柱鉸接頂梁加拉鉤式連接器組成的整體支架,金屬支柱鉸接頂梁加木梁傾斜對(duì)接棚子組成的整體支架,以及十字鉸接頂梁金屬支柱組成的整體支架。

(2)用初撐力大的支柱,把下位巖層與上位巖層緊緊頂住,不僅不讓其離層,而且靠煤層間的摩擦力去抵抗來自層面方向的推力,反過來使支架自身也能夠穩(wěn)定。如使用單體液壓支柱。

(3)為使單體液壓支柱對(duì)頂板能穩(wěn)得住,在設(shè)計(jì)采煤工作面支架的排距和柱距時(shí),除按頂板壓力選定需要的排拒和柱距外,還要按推跨型冒頂所需要支柱的初撐力校驗(yàn)支架的排拒和柱距。校驗(yàn)排拒和柱距的方法步驟如下:

第一步,設(shè)P0為防止復(fù)合頂板推垮所需的初撐力,則

P0=hγ(comα+1/fsinα)×10

式中h—下位軟巖層厚度,m

γ—下位軟巖層視密度,t/m3

f—軟硬巖層間的摩擦系數(shù)

α—煤層傾角(°)

第二部,設(shè)P0′為每根單體液壓支柱的有效初撐力,則

P0′=K1 P0額

式中P0′—指額定初撐力,KN/根

K1—有效系數(shù),可取0.75～0.85

則每根支柱能支撐頂板的平方米數(shù)為 P0′/P0

第三步,設(shè)支架排拒為L排′,柱距為L柱′,則每根支柱支撐頂板的面積為L排′×L柱′。顯然:

L排′×L柱′= P0′/P0

考慮到幾道修正系數(shù)k后為

L柱′=P′/(P0×K×L排′)

當(dāng)L排′大于由頂板壓力所確定的柱距L排時(shí),支架的柱距由頂板壓力確定,即取L排;若L排′小于由于頂板壓力所確定的柱距L排,則工作面支架的柱距應(yīng)取L排′。

4 不同條件下對(duì)支得起、護(hù)得好、穩(wěn)得住的不同要求

4.1 煤層頂板條件和煤層傾角

(1)當(dāng)基本頂來壓比較強(qiáng)烈,直接頂很完整,煤層傾角又很小時(shí),主要考慮支得起問題。

(2)對(duì)于來壓不明顯,直接頂比較破碎,煤層傾角又不大時(shí),主要考慮護(hù)好直接頂問題。

(3)當(dāng)基本頂來壓比較強(qiáng)烈,直接頂比較破碎,煤層傾角又很小時(shí),既要考慮支,又要考慮護(hù)。

(4)如果基本頂來壓比較強(qiáng)烈,直接頂比較破碎,煤層傾角又比較大時(shí),則對(duì)工作面支架的支、護(hù)、穩(wěn)都得考慮要求。

4.2 采煤工作面的不同區(qū)域

(1)靠煤幫附近的無支護(hù)空間應(yīng)特別注意護(hù)。

(2)放頂線附近應(yīng)特別注意支與穩(wěn)。

(3)對(duì)上下出口處要求支、護(hù)、穩(wěn)均應(yīng)注意。

5 不同支架的性能分析

(1)液壓支架中的支撐掩護(hù)式支架,其支、護(hù)、穩(wěn)性能都很好;掩護(hù)式支架護(hù)與穩(wěn)的性能很好,但支的方面較弱,不能適應(yīng)基本頂?shù)膹?qiáng)烈來壓;支撐式支架則是支的性能很好,護(hù)與穩(wěn)的性能差,不能適應(yīng)破碎頂板。

(2)單體支架中的微增阻式摩擦支柱和單體液壓支柱,在一般條件下(除極堅(jiān)硬的后層頂以外),只要調(diào)整好密度,對(duì)支起頂板來說是不成問題的。這些支柱加上頂梁和背板,護(hù)好頂板不成問題。單體支架最不好解決的是穩(wěn)定問題。單體液壓支柱如果達(dá)到其額定的初撐力(78KN),當(dāng)下位軟巖層厚2.0米以下,而煤層傾角又在30°以下時(shí),其由摩擦力產(chǎn)生的穩(wěn)定性,足夠防止復(fù)合頂板推垮型冒頂。微增阻式摩擦支柱,本身初撐力太低,性能又不穩(wěn)定,只能靠外部辦法增加其穩(wěn)定性,如使用各種類型的整體支架。

(3)單體支柱中的木支柱和急增阻式金屬摩擦支柱,由于可縮量小,當(dāng)基本頂或裂隙帶巖層的下沉量較大時(shí),容易被折損而失效,即支柱性能差,因而護(hù)與穩(wěn)難以保證。

6 結(jié)語

總之,在選擇采煤工作面支架類型和布置時(shí),應(yīng)該充分考慮煤層頂板和傾角等條件,選用性能合適的支架并采取合理的支架布置方式,只有這樣才能保證安全而正常地生產(chǎn),才能把采煤工作面頂板事故減少到最低限度。

李冰冰,男,漢族,1972年10月出生,1992年7月新疆煤炭專科學(xué)校采礦專業(yè)畢業(yè),2002年獲得采礦中級(jí)職稱,現(xiàn)在新疆煤礦安全監(jiān)察局東疆監(jiān)察分局工作,職務(wù)為室主任。