坚硬顶板条件下综采面设备选型及液压支架设计

李明忠

(天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

坚硬顶板条件下综采面设备选型及液压支架设计

李明忠

(天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

针对长治矿区中鼎矿15号煤层的地质条件,综合考虑煤层储量、坚硬顶板条件、地质储量、供电条件、投资规模等问题,对该综采工作面进行设备选型及液压支架设计研究,并对支架的理论参数进行了计算,同时对支架的结构特点进行了详细的设计研究。

液压支架;选型;设计

EquipmentsLectotype of Full2mechan izedM in ing Face and Powered SupportDesign under Hard Roof Condition

1 工作面煤层地质情况与综采可行性分析

山西长治矿区中鼎矿设计生产能力300kt/a。矿井开采15号煤层,煤层厚度4～5.2m,平均4.55m,煤层倾角一般8～9°,煤层结构简单,含1～2层炭质泥岩夹矸,全井田稳定可采;15号煤层直接顶缺失,煤层基本顶为石灰岩,局部为泥岩、炭质泥岩伪顶。底板为泥岩,局部为炭质泥岩伪底,易发生底鼓现象;为低瓦斯矿井;煤尘有爆炸性;属自燃煤层。

矿井现用刀柱式采煤方法,采出率较低,仅仅达到30%～40%,拟采用综合机械化开采,以提高采出率。受供电影响,工作面设备总功率不超过1000kW,投资规模不宜太大。

2 工作面综采设备选型

结合15号煤层地质条件,以提高煤炭采出率为目的、保证综采工作面的作业安全为原则,优选工作面配套设备,使其符合工作面供电要求,采用一次采全高综合机械化开采。

采煤机 15号煤层属于中厚煤层,适宜的采煤机较多,但受矿井供电能力及投资规模限制,工作面不能采用大功率的采煤机,经过比较各个采煤机的功率、采高,确定采用MG200/475-WD型采煤机,其改进后最大采高可达到4.1m,可以回采90%以上的煤层,与刀柱式采煤方法相比,采出率得到了显著的提升。

刮板输送机 工作面年产300kt,工作面长度120m,每天只需推进1.2m,即可满足产量要求,工作面倾角8～9°,可选用SGZ730/264型刮板输送机。

其他设备 转载机:SZB730/75;破碎机: PCM90;乳化液泵站:BRW400/31.5;喷雾泵: BPW200/6.3。

根据以上选型,工作面所需设备总功率约为945kW,满足矿方1000kW的要求。

3 综采工作面液压支架设计方案

3.1 煤层赋存特点及对支架的设计要求

(1)设计生产能力300kt/a,综采面供电容量1000kW,且投资额度不宜过大,不适合大型综采设备。

(2)坚硬顶板,支架应保证有足够大的支撑能力及切顶力,应优先选用四柱支撑掩护式支架。

(3)煤层基本顶为石灰岩,完整性较好,沿顶板开采,采用整体顶梁,不带侧护板结构,既减轻了支架重量,又便于加工生产。

(4)工作面倾角为8～9°,且采高较大,支架预留防倒、防滑装置连接耳座。

(5)底板易发生底鼓现象,支架需设置抬底机构。

(6)15号煤层煤尘有爆炸性,要求支架配置喷雾降尘装置。

3.2 液压支架方案设计

3.2.1 支架高度确定

一般工作面支架高度的确定是根据煤层厚度,但该煤矿受矿井供电、投资规模限制,只能采用MG200/475-WD采煤机,改进后最大采高可达4.1m。因此,支架的最大结构高度定为4.3m。

在坚硬顶板条件下,为减少掩护梁载荷,掩护梁应尽量短。顶梁、底座柱窝处要求具有更高强度,通常在满足配套及下井要求前提下,根据目前成熟架型,以及立柱的伸缩比,确定支架最小结构高度为2.1m。

3.2.2 支护强度确定

根据15号煤层的地质条件,确定液压支架的额定支护强度下限为:式中,Qs为额定支护强度下限,MPa;hm为采高,取最大采高

将上述各参数代入上述公式计算得:

3.2.3 工作阻力确定

根据支架的支护强度及结构参数,可以确定支架的额定工作阻力,计算公式如下:

式中,B为支架中心距取,1.5m;L为支架顶梁长度,取3.5m;C为梁端距,取0.5m;η为支撑效率系数,取0.9。

根据计算结果及我国行业标准中工作阻力系列,综合考虑初撑力和工作阻力的比值、立柱缸径等因素,取额定工作阻力为5500kN。

根据以上分析计算,确定选用ZZ5500/21/43型支撑掩护式液压支架,并对支架方案进行了详细的设计(结构如图1),其主要技术参数如下:

4 支架设计的主要技术措施及支架结构特点

(1)支架梁端曲线变化平稳,支架在从高到低的运动过程中,双纽线呈前倾趋势,以使顶板与顶梁间的摩擦力始终向后,可有效减少底座前端的比压,有利于移架。

(2)前、后连杆均为分体双连杆,增大了连杆的抗弯、抗扭能力,提高了支架的稳定性。

图1 ZZ5500/21/43型支撑掩护式液压支架

(3)采用四柱支撑掩护式架型,后端切顶力最大可以达到4000kN,适应于坚硬顶板的开采。

(4)支架在设计上通过增大掩护梁背角和减小掩护梁长度的方式,尽量减小掩护梁在水平方向上的投影,降低冒落顶板对掩护梁产生的冲击。

(5)坚硬类顶板综采工作面,周期来压及初次来压期间超前支承压力较大,易造成严重的煤壁片帮及冒顶事故,而且支架采高较高,为此设置用四连杆机构控制的可挑平护帮板,挑起力矩较大,有利于防止煤壁的片帮及顶梁前端顶板的维护。

(6)增强各承载部件的刚性,充分考虑到大块冒落矸石对支架结构件的影响,各部件铰接部连接强度,如连接耳板的厚度、半径比普通支架增加20%以上。

(7)立柱采用大流量安全阀控制,增强过载保护能力,提高立柱抗冲击的能力。

(8)采用不带配液板的液控单向阀,将立柱下腔出液口旋转90°等办法,在保证最低行人通道的前提下,尽量压缩支架的纵向长度,以减轻支架重量,节约投资。

(9)采用整体顶梁不带活动侧护板形式,结构简单,性能可靠。

5 结束语

采用综合机械化开采,可以改善工作面的安全条件,提高煤炭采出率。据初步估算,整个矿井约5Mt的储量,可多采出煤炭约2Mt。工作面初期共需投资2440万元,和刀柱式采煤法相比,一个工作面可以多产生效益764万元。只需3个工作面即可完全收回投资。

通过以上分析,该矿15号煤层采用一次采全高综采,在技术上是可行的,经济上是合理。而且该综采工作面设备选型和液压支架选型设计经验对于国内类似地质条件的矿井具有很好的借鉴意义。

[1]王国法,等.液压支架技术[M].北京:煤炭工业出版社. 1999.

[2]MT312-2000液压支架通用技术条件[S].北京:中国标准出版社,2000.

[3]MT554-1996缓倾斜煤层工作面顶板分类附录[S].北京:中国标准出版社,1996.

[责任编辑:张银亮]

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2010-04-26

李明忠(1978-),男,山东郓城人,在读博士,工程师,现从事液压支架研究工作。