千米深井复杂运输条件特厚煤层综放支架设计及参数优化

张金虎

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)



千米深井复杂运输条件特厚煤层综放支架设计及参数优化

张金虎

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

[摘要]为满足3号特厚煤层千米以上埋深、顶板控制要求和复杂运输条件，对不同采煤方法适应性和支架参数进行研究。研究结果表明：特厚煤层综放开采在回采率、成本控制、安全保障和设备配套等方面较分层和大采高综采具有较大优势，千米埋深特厚煤层所需支护强度为1.3~1.4MPa，支架设计φ300/220mm较大缸径立柱和1500mm较小中心距解决罐笼小尺寸运输和强力支护重型大设备之间的矛盾，采用铰接顶梁加强架前支护和方便运输，优化立柱布置保证足够的行人和操作空间，设置防倒防滑、双侧活动侧护板和抬底机构增强对较大倾角和较软底板的适应性。

[关键词]千米深井；复杂运输条件；特厚煤层；综放开采；液压支架

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.008

[引用格式]张金虎.千米深井复杂运输条件特厚煤层综放支架设计及参数优化[J].煤矿开采，2015，20(5)：30-33.

综放开采作为厚及特厚煤层的高效开采方法自1982年引进我国后，先后经历了1982-1990年的探索、1990-1995年的成熟完善和1995-2005年的推广应用等阶段。自2005年至今，综放开采进入了革新阶段，2014年中国煤炭科工集团牵头完成的“特厚煤层大采高综放开采关键技术及装备”解决了14～20m特厚煤层开采世界性难题并获得国家科技进步一等奖[1-4]。

目前我国许多矿区如巨野、淮南、济宁、新汶等地的厚及特厚煤层开采深度已超过1000m。受限于开采深度井田开拓方式，一般选用立井开拓和罐笼运输，强力液压支架造成其尺寸及重量大幅度增加，无法满足立井罐笼运输条件，而低支护强度液压支架又无法满足对深部开采高地压、大变形的支护需要，造成部分工作面屡有大面积压架事故发生[5-9]。

本文以千米深井复杂运输条件特厚煤层为研究背景，以现场实测和理论研究为手段，确定支护参数并优化支架结构，使支架满足顶板支护需要和矿井运输要求，为类似矿井支架设计提供参考。

1工程背景

1.1　煤层赋存条件

5301工作面设计开采3号煤，煤层厚度8.9~9.9m，平均9.4m，煤层倾角变化较大，一般在5~30°之间，煤层埋深约965~1258m，属于典型的千米深井缓倾斜~倾斜特厚煤层。煤层顶板以泥岩、粉砂岩为主，局部为中、细砂岩顶板，厚0.6~19.2m。顶板砂岩节理裂隙发育，顶板砂岩抗压强度一般为30~50MPa，泥岩的抗压强度平均5.6MPa。煤层底板以泥岩为主，粉砂岩为辅，厚0.6~12.1m，偶见炭质泥岩伪底(厚0.2~0.4m)，富水性弱；岩石抗压强度一般为30~40MPa。

1.2　运输条件及支架设计原则

矿井采用立井开拓，支架下井通过副立井罐笼提升，罐笼尺寸5000mm×1670mm×2400mm(长×宽×高)，最大提升重量26t。矿井运输环节复杂，需通过3个水平、3条暗斜井，运输条件的复杂性要求必须降低支架重量和减少升井大修，确保支架使用寿命并能满足顶板支护需要。

1.3　采煤方法

根据国内外厚及特厚煤层开采技术发展现状，其开采方法目前主要有分层开采、大采高综采和综放开采3种[1,10-11]。

分层开采可行性分层开采巷道掘进率高，掘进与维护费用高；开采上分层时要铺设人工假顶，大幅增加材料成本和工人体力劳动，且暴露的下分层煤容易自然发火；开采下分层时，留顶煤造成割煤高度降低，资源浪费，不留顶煤顶板不容易维护，煤块含矸率高。3号煤埋藏较深且具有冲击倾向，采用分层开采时上分层容易发生冲击灾害事故。故不宜采用分层开采。

大采高综采可行性大采高综采的最大特点是煤炭资源采出率较高，就目前综采技术及装备现状来说，一次最大开采高度可达7m，对应液压支架的工作阻力应不小于17000kN，支架宽度2.05m，整架重量在70t左右，支架的下井尺寸和运输重量都超过现有井型设计标准，支架搬运难度很大。3号煤平均厚度9.3m，若采用7m大采高综采，加上煤柱损失不能满足《生产煤矿回采率管理暂行规定》中煤厚≥3.5m，采区回采率≥75%的规定，故不采用大采高综采。

综放开采可行性综放开采较一次采全高综采可大幅降低割煤高度和支架高度，支架上方松软顶煤的存在有利于集中应力的释放和转移，可有效防止冲击地压的发生；另外临近矿井生产实践表明3号煤顶煤冒放性较好，综合考虑认为，采用综放开采较为合理。

2特厚煤层综放工作面支护参数确定及优化

2.1　支护强度的确定

2.1.1基于顶板结构和实测估算

综放工作面支架工作阻力主要来自直接顶、顶煤的载荷和基本顶失稳时的动载[13-15]，即：

P=Kd(qd+qc)

qd=γd·h

qc=γc·Mc

支护强度计算可得：P=1.04~1.38MPa，即工作面支架强度应在1.04～1.38MPa之间。

2.1.2基于工作阻力与顶板下沉量数值模拟

研究表明[12]，支架工作阻力与顶板下沉量呈现类双曲线的关系，采用数值模拟软件对不同支护强度时顶板下沉量进行分析，得到二者关系曲线如图1所示。当支护强度为1.3~1.4MPa时顶板下沉量随支护强度的增加其变化量明显降低，且顶板下沉量约为80mm时支架能有效实现对顶板的控制，由此确定支架支护强度应为1.3~1.4MPa。

图1　支护强度与顶板下沉量关系曲线

邻近矿井生产实践结果表明，当支护强度小于1.2MPa时曾多次发生大面积压垮支架的现象，而支护强度提高10%后控顶效果明显改善，这与上述计算结果相吻合。综上所述，建议支护强度应在1.3~1.4MPa之间。

额定工作阻力F可按下式进行计算：

F≥PBcL

式中，P为额定支护强度，取1.4MPa；Bc为控顶距，分别取5.6m，5.9m。L为支架中心距，分别取1500mm，1750mm。

当支架中心距为1500mm时，F≥11760kN；支架中心距为1750mm时，F≥14455kN。考虑立柱缸径系列化和支护效率，支架中心距为1500mm和1750mm时工作阻力分别为12000kN和16000kN。

2.2　支架高度

支架最大高度Hmax=Mmax+S，Mmax为工作面最大采高，取3500mm；S为伪顶初次垮落时最大厚度，取200~300mm，得Hmax=3800mm。

支架最小高度主要考虑运输过程中罐笼、巷道高度的限制和立柱伸缩比要求，运输巷尺寸为5000mm×3800mm(宽×高)，罐笼尺寸为5000mm×1670mm×2400mm(长×宽×高)，考虑平板车高度300~400mm，易知Hmin=2000mm。

2.3　支架中心距

一般对于工作阻力超过10000kN的四柱支撑掩护式放顶煤液压支架，为降低底板比压、保证较大行人操作空间，支架中心距一般选择1750mm，但支架中心距的增加带来的问题是支架重量及尺寸随之增加。当支架中心距为1750mm时，根据上述计算，应选择型号为ZF16000/20/38支架，支架重量约46t。支架即使解体重量或尺寸仍无法满足下井要求，如去掉立柱、前梁、伸缩梁、护帮板、尾梁、插板，重量约30t，外形尺寸约为5000mm×1660mm×1700mm(长×宽×高)；顶梁长度约6320mm，大于罐笼允许最大下井尺寸。图2为中心距1750mm时ZF16000/20/38支架解体示意图。

图2　ZF16000/20/38(中心距1750mm)支架解体示意

受限于矿井运输条件，支架中心距定为1500mm，支架型号为ZF12000/20/38，支架总重35t左右。根据拆除不同结构件有2种运输方案，如图3所示。方案一为去掉顶梁和尾梁，方案二为去掉顶梁和立柱，将插板和千斤顶收回进行运输。考虑运输方便，采用方案一对支架进行解体下井。

图3　ZF12000/20/38支架运输状态

2.4　支架主要结构型式

(1)铰接顶梁考虑运输要求，支架选用铰接顶梁形式。运输时将前梁向下转动90°，减小支架纵向长度尺寸，支架整体运输尺寸小，顶梁结构型式如图4所示。

图4　铰接顶梁结构

(2)护帮范围根据压杆理论[16-17]分析，在顶板压力作用下，煤壁在距底板0.65倍采高处侧向位移最大，即支架护帮机构高度尺寸不小于采高的0.35。采高3.5m时煤壁最大水平位移的区域为距顶板1.2m左右的位置，设计护帮板最大防护高度为1121.7mm(图5)，护帮千斤顶采用φ100/70mm千斤顶，护帮力为247kN。

图5　护帮板结构形式及尺寸

(3)降低底板比压为满足矿井运输条件，支架中心距采用1500mm，减小了底座面积，不利于防止支架钻底。通过调整、优化合力作用点位置，实现底座前端比压为1.8～2.6MPa(f=0.2)。同时为增强对较软底板的适应性，加快移架速度，支架设置φ125/90mm抬底千斤顶。

(4)行人空间通过优化立柱布置及结构安排，实现支架前后立柱间、左右立柱间和相邻支架间尺寸分别为702mm，454mm和344mm。

2.5　倾角较大工作面支架稳定性控制

为加强支架对倾角较大地段煤层适应性，对支架参数及结构进行优化，主要采取以下措施保证支架稳定性：

(1)合理地提高初撑力和工作阻力支架只有“支的牢”才能“稳得住”。选择φ300/220mm较大缸径立柱，使支架额定工作阻力可达到12000kN，支架初撑力可达8904kN，约为额定工作阻力的75%，可有效保证对顶板的主动支撑。

(2)优化结构，降低支架重量支架重量降低有利于稳定性提高，通过结构优化，支架重量约35t，进一步提高稳定性，同时亦有利于支架在工作面的调整和搬家。

(3)侧护板设计为双侧活动使用中需将一侧固定，一侧活动，有利于根据工作面的倾角的方向来调整活动侧护板的方向。

(4)为防止支架下滑，调节架间距采用φ125/85mm底调千斤顶实现调架功能，该结构调架容易，操作简单。

3结论

(1)对5301工作面特厚煤层而言，综放开采在回采率、成本控制、安全保障和设备配套等方面较分层和大采高综采具有较大优势，确定采用综采放顶煤采煤方法。

(2)在满足顶板控制和立井罐笼运输条件的基础上，确定工作面支护强度为1.3~1.4MPa，支架高度为2.0~3.8m，支架为ZF12000/20/38四柱支撑掩护式放顶煤液压支架。

(3)支架采用铰接顶梁结构满足下井运输尺寸要求，设计双侧活动侧护板、底调千斤顶等加强对煤层倾角的适应性；采用较大缸径立柱，加大工作阻力和初撑力满足顶板控制要求。

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[责任编辑：徐亚军]

Design and Parameters Optimization of Full-mechanized Top-coal Caving Powered Support for Extremely-thick Coal-seam under Complex Transportation Condition in 1000m Deep Mine

ZHANG Jin-hu

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.,Beijing 100013，China)

Abstract：In order to meet 1000m deep depth，roof controlling requirement and complex transportation condition of No.3 extremely-thick coalseam，adaptability of different mining methods and powered support's parameters were researched. Results showed that full-mechanized top-coal caving mining had larger advantage in mining ratio，cost control，safety assurance and equipments matching，compared with slicing mining and large-mining-height full-mechanized mining method. For extremely-thick coalseam in 1000m deep mine，1.3-1.4MPa supporting intensity，300/220 cylinder diameter and 1500mm center distance was designed to solve the conflict of small size cage and large equipment. Articulated roof beam was applied to strengthening supporting and facilitating transportation. Prop arrangement was optimized to ensure enough pedestrian and operation space. Anti-slide and anti-dumping structure，side-guard plate and bottom-lift device was designed to strengthen adaptability for large inclined angle and soft floor.

Keywords：1000m deep mine；complex transportation condition；extremely-thick coalseam；full-mechanized top-coal caving mining；powered support

[作者简介]张金虎(1986-)，男，山东德州人，助理研究员，主要从事支架围岩关系及设备选型配套研究工作。

[基金项目]国家重点基础研究发展计划(973) 资助项目(2014CB046302)

[收稿日期]2015-03-19

[中图分类号]TD355.41

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)05-0030-04