采煤工作面支架选型分析

李冰冰

(新疆煤矿安全监察局东疆监察分局,新疆乌鲁木齐 831400)

采煤工作面支架选型分析

李冰冰

(新疆煤矿安全监察局东疆监察分局,新疆乌鲁木齐 831400)

采煤工作面中,需要用各种支架支护采煤工作面的顶板,以保证采煤工作面能够安全而正常进行。采煤工作面支架应具有支、护、稳三个方面的性能,即采煤工作面支架对顶板支得起、护得好、稳得住。从这三个方面进行分析研究,得出采煤工作面支架选型的依据与计算方法,为矿井在采煤工作面支架选型提供参考。

顶板压力 支护密度 顶板下沉 液压支架

近年来我国煤炭行业发展迅速,采煤技术也日新月异。大多数煤矿实现了综合自动化采煤,工作面支护方式发生了很大改变。总的说来,我国煤矿工作面支护方式既有液压支架,也有液压支柱,也有液压支柱或磨擦支柱,有的矿井局部地段还在使用木垛支护。不管是哪种支护方式,选择什么样的支护设备,其目的都为保证采煤工作面能够安全而正常生产。这就需要采煤工作面支架具有共同的基本性能,既支得起、护得好、稳得住。

1 采煤工作面支架应支得起

所谓支得起,也就是支架在其工作全过程能够支撑住顶板所施加的压力,这里必须包括支撑力和可缩量两方面。如果支架支撑力不够,而被损坏,就无法再支撑顶板;如果支架可缩量不够,适应不了顶板下沉而被损坏,也无法再支撑顶板。当支架支不起顶板时,将会导致压冒型冒顶。要想支架支的起,需从顶板压力、支护密度和顶板下沉量综合考虑。

1.1 顶板压力的确定

如果冒落带全是直接顶,回柱放顶后随着冒落,则所需支撑的冒落带岩层的重力就是控顶距上方冒落带岩层的重力;如果冒落带中有基本顶或冒落带岩层在回柱放顶后不延放顶线冒落而采空区有悬顶,则情况就很复杂。因此,至今主要还是凭经验的估算来确定采煤工作面支架所应承受的顶板压力。即顶板压力P为4～8倍的采高岩层重力,其公式为:

P=10×(4～8)Mγ

式中P——顶板压力,KN/m2

M——煤层采高,m

γ——顶板岩层平均视密度,t/m3

应用公式时要考虑直接顶的厚度,直接顶厚时取小的系数,直接顶薄时取大的系数。

1.2 支护密度的确定

估算顶板压力之后,对于应用单体支柱的工作面,还要确定支护密度。支柱试压时的实际允许最大工作阻力往往低于额定工作阻力,因此在决定支柱密度时,不能用支柱的额定工作阻力,只能用支柱实际允许的最大工作阻力;采煤工作面中每排支柱的额定工作阻力都不同,还应该考虑工作面支柱的平均工作阻力。

采煤工作面支架的排距需综合考虑最有效的采煤进度或采煤机截深、顶梁长度、顶板状况等因素后确定。一般情况下,支柱的排距是采煤工作面每次割煤进度或采煤机截深的整倍数。

排距决定后,可按下列程序求算柱距

(1)设顶板压力为P(KN/m2),支柱的平均工作阻力为P′(KN/根),则每根支柱能支撑顶板的面积为P′/P。

(2)设排拒为L排,柱距为L柱,则每根支柱支撑顶板的面积为L排×L柱。则:

L排×L柱=P′/P

即 L柱 = P′/(P×L排)

考虑到机道的宽度往往大于排拒,因此,引进修正系数k。当排拒为0.8米时,k=1.2;当排拒为1米,k=1.1米;排拒为1.2米时,k=1.0。股上式可改写为:

L柱= P′/(P×L排k)

以上是采煤工作面基本支架的设计计算,是从采煤工作面支架总体出发考虑的。如果开采煤层有实测的顶板压力的数据,则在计算时可以用该数据代替经验数据P。

此外,为确保工作面不被基本顶压垮,当工作面有基本顶来压时,还应增加动载系数,以保证对工作面的支护。

1.3 顶板下沉量的确定

基本顶下沉来压时,顶板施加在支架上的压力比平时大得多,顶板下沉量也比平时大,因此,支得起主要对直接顶而言,而对基本顶则要利用支架的可缩量来适应。由于各种支护设备不同,其可缩量也不相同,选型前需要计算顶板下沉量及考察支柱的可缩量。

据大量实测资料得知,顶板下沉量与采高成正比,与距煤帮距离成正比,其比例常数η为0.025～0.05(缓倾斜煤层应取0.04～0.05)。因此,顶板下沉量SL估算公式为

SL=η×M×L

式中 M——煤层采高,m

L——距煤帮距离,m

应该指出,顶板下沉量并不等于支柱下缩量。因为顶板下沉量是由顶梁压缩量、支柱下缩量以及支柱插入底板量等组成。

2 采煤工作面支架对顶板应能护得好

所为护得好,有两方面的含义:一方面要求采煤工作面支架能控制住工作空间的顶板使其一点都不冒落;另一方面应保证回柱工人在有支护的地点进行工作。即护顶和护人,两者缺一不可。

直接顶内可能存在着各种原生裂隙、构造裂隙和采动裂隙,从而导致顶板破碎。回采后如不及时支护,可能导致顶板冒落;作业活动不慎弄倒支架时,也可能造成顶板冒落。

直接顶根据裂隙发育程度,可分为完整、中等稳定和破碎三类。针对三类顶板要想护得好,应做好以下工作。

(1)当采用单体支架时,对完整的直接顶使用带帽顶柱即可;对中等稳定的直接顶,棚梁应垂直裂隙布置,一般棚子多由一梁二柱组成,也可采用单体柱加铰接顶梁布置;对破碎的直接顶,则顶梁上要加背板且要背严,棚子的梁与梁之间还应采取加木背板、竹笆或荆笆等护顶措施;对于特别破碎的顶板,回采前需掏梁窝超前支护。

(2)当采用液压支架时,对于完整的直接顶,宜用支撑式支架;对中等稳定或破碎的直接顶,则宜用掩护式或支撑掩护式支架。

为确保支架回撤时工作人员的安全,提出以下建议:

(1)用回柱绞车回支柱。

(2)回摩擦支柱用弹簧枪或长柄锤退楔绞车拉柱。

(3)尽量使用液压放顶支架。

直接顶是顶板冒落的根源,护得好主要是针对直接顶的。护得好需做到支架的选择与支护方式合理,支架的回撤措施安全到位。

3 采煤工作面支架对顶板应稳得住

3.1 因支架的稳定性不够而导致的冒顶类型

当煤层顶板为复合顶板时,由于生产活动影响及裂隙、构造切割等,顶板中会存在一个与上位硬岩离层并与周围岩体割断的六面体。如果六面体沿倾斜方向没有阻挡,倾斜向下方推力。此推力在一定条件下会推倒支架而导致冒顶。

因支架的稳定性不够,不能抵抗岩层的推力而导致的冒顶有以下几种情况:

(1)如果顶板中存在有断层、裂隙、层理等切割而形成的大块游离岩块,回柱后游离岩块就会旋转,从而推倒采煤工作面支架而导致冒顶。

(2)在金属网假定下回柱放顶时,如果网上有大块游离岩块,也会发生上述的游离岩块旋转而推倒采煤工作面支架导致冒顶。

(3)当基本顶急剧下沉时,可能迫使直接顶推倒采煤工作面支架而冒顶。在断层带附近也有类似情况。

因此,所谓稳得住就是要求支架具有抵抗来自层面方向推力的能力,煤层倾角越大,对支架稳定性也就越高。

3.2 稳住顶板的方法

有三种方法可以使采煤工作面支架对顶板稳得住:

(1)支架结构本身是稳定的,有抵抗来自层面推力的能力。如掩护式和支撑掩护式液压支架,或金属支柱铰接顶梁加拉钩式连接器组成的整体支架,金属支柱铰接顶梁加木梁倾斜对接棚子组成的整体支架,以及十字铰接顶梁金属支柱组成的整体支架。

(2)用初撑力大的支柱,把下位岩层与上位岩层紧紧顶住,不仅不让其离层,而且靠煤层间的摩擦力去抵抗来自层面方向的推力,反过来使支架自身也能够稳定。如使用单体液压支柱。

(3)为使单体液压支柱对顶板能稳得住,在设计采煤工作面支架的排距和柱距时,除按顶板压力选定需要的排拒和柱距外,还要按推跨型冒顶所需要支柱的初撑力校验支架的排拒和柱距。校验排拒和柱距的方法步骤如下:

第一步,设P0为防止复合顶板推垮所需的初撑力,则

P0=hγ(comα+1/fsinα)×10

式中h—下位软岩层厚度,m

γ—下位软岩层视密度,t/m3

f—软硬岩层间的摩擦系数

α—煤层倾角(°)

第二部,设P0′为每根单体液压支柱的有效初撑力,则

P0′=K1 P0额

式中P0′—指额定初撑力,KN/根

K1—有效系数,可取0.75～0.85

则每根支柱能支撑顶板的平方米数为 P0′/P0

第三步,设支架排拒为L排′,柱距为L柱′,则每根支柱支撑顶板的面积为L排′×L柱′。显然:

L排′×L柱′= P0′/P0

考虑到几道修正系数k后为

L柱′=P′/(P0×K×L排′)

当L排′大于由顶板压力所确定的柱距L排时,支架的柱距由顶板压力确定,即取L排;若L排′小于由于顶板压力所确定的柱距L排,则工作面支架的柱距应取L排′。

4 不同条件下对支得起、护得好、稳得住的不同要求

4.1 煤层顶板条件和煤层倾角

(1)当基本顶来压比较强烈,直接顶很完整,煤层倾角又很小时,主要考虑支得起问题。

(2)对于来压不明显,直接顶比较破碎,煤层倾角又不大时,主要考虑护好直接顶问题。

(3)当基本顶来压比较强烈,直接顶比较破碎,煤层倾角又很小时,既要考虑支,又要考虑护。

(4)如果基本顶来压比较强烈,直接顶比较破碎,煤层倾角又比较大时,则对工作面支架的支、护、稳都得考虑要求。

4.2 采煤工作面的不同区域

(1)靠煤帮附近的无支护空间应特别注意护。

(2)放顶线附近应特别注意支与稳。

(3)对上下出口处要求支、护、稳均应注意。

5 不同支架的性能分析

(1)液压支架中的支撑掩护式支架,其支、护、稳性能都很好;掩护式支架护与稳的性能很好,但支的方面较弱,不能适应基本顶的强烈来压;支撑式支架则是支的性能很好,护与稳的性能差,不能适应破碎顶板。

(2)单体支架中的微增阻式摩擦支柱和单体液压支柱,在一般条件下(除极坚硬的后层顶以外),只要调整好密度,对支起顶板来说是不成问题的。这些支柱加上顶梁和背板,护好顶板不成问题。单体支架最不好解决的是稳定问题。单体液压支柱如果达到其额定的初撑力(78KN),当下位软岩层厚2.0米以下,而煤层倾角又在30°以下时,其由摩擦力产生的稳定性,足够防止复合顶板推垮型冒顶。微增阻式摩擦支柱,本身初撑力太低,性能又不稳定,只能靠外部办法增加其稳定性,如使用各种类型的整体支架。

(3)单体支柱中的木支柱和急增阻式金属摩擦支柱,由于可缩量小,当基本顶或裂隙带岩层的下沉量较大时,容易被折损而失效,即支柱性能差,因而护与稳难以保证。

6 结语

总之,在选择采煤工作面支架类型和布置时,应该充分考虑煤层顶板和倾角等条件,选用性能合适的支架并采取合理的支架布置方式,只有这样才能保证安全而正常地生产,才能把采煤工作面顶板事故减少到最低限度。

李冰冰,男,汉族,1972年10月出生,1992年7月新疆煤炭专科学校采矿专业毕业,2002年获得采矿中级职称,现在新疆煤矿安全监察局东疆监察分局工作,职务为室主任。