充填开采支架尾梁延伸装置改造及支撑强度理论分析

崔正文

(山西高河能源有限公司,山西 长治 047199)

当前国内外采用充填法开采金属矿技术应用较为广泛,膏体充填开采作为当前较为先进的开采工艺正在被大力推广应用。高河能源主动变革创新,大胆引入百万吨级膏体充填开采工艺,积极打造出了一张闪亮的“绿色名片”。绿色充填开采是高河能源深入实施创新驱动的生动实践,也是“在转型发展上率先蹚出一条新路来”的努力探索。高河能源根据山西省能源革命综合改革试点部署,持续用力构建清洁低碳用能模式[1],推进能源科技创新,扩大能源对外合作,始终坚持“安全第一、预防为主、综合治理”安全生产方针和“管理、装备、素质、系统”并重,积极推进安全集约高效本质安全型矿井建设,坚持绿色开采、智能开采、低碳循环发展。公司膏体充填试验工作面3号煤层埋深408～438 m,平均420 m,围岩应力相对不高。煤层倾角较平缓,倾角平均8°.首试充填工作面平均开采厚度6.38 m,采用分层开采,先开采上分层,再开采下分层,分层开采有利于降低地表沉陷带来的风险。煤层直接顶为砂质泥岩或细粉砂岩,平均厚度7.5 m;伪顶为泥岩,厚度 1.82～2.13 m.充填时顶板采取临时支护措施,并控制充填步距,保证膏体充填的质量。

目前我矿用矸石、粉煤灰、水泥等材料对采空区进行充填,工作面采高(3.2±0.1) m,一般按照割煤、隔离、充填、凝固进行循环流程作业,循环进度为2.4 m,可回采煤炭约2 450 t.为积极响应集团公司算账文化和“精益化管理、效益化管控”的理念,通过对充填作业现场深入研究。割煤产量是影响人员工效、材料消耗的重要环节。割煤后要及时进行拉架作业,采空区主要依靠充填支架尾梁进行支撑,增加割煤刀数后,尾梁长度不足,无法对采空区进行支撑,需对尾梁进行改造,以提高充填工作面的经济效益。

1 充填支架尾梁延伸装置设计

1.1 尾梁延伸装置引入工艺流程

充填工作面单次循环刀数由目前3刀增加至4刀或5刀后,原尾梁长度不足,无法对采空区形成有力支撑,易发生坠包、漏顶等情况,在对尾梁结构研究分析的基础上,实现对采空区的有效支撑,满足单次循环产量的提高需要延伸尾梁长度。

公司膏体充填液压支架型号为ZC8500/22/40PB,推移油缸行程900 mm,推移(拉架)步距为800 mm.初始引入充填开采支架设计尾梁为1.6 m,通过顶板加装双层接触网也只能将充填空间增加到2.4 m,单循环充填空间受限导致产量受限,严重制约充填开采效率的提升。为此通过井下实地调研,在确保充填质量的前提下,在充填开采工作面每组支架尾梁后面加装一种延伸装置及柔性网,进一步优化充填工艺。该装置能够随着支架前移不断向前推进,起到支护尾梁后顶板煤层的作用,确保对顶板煤层压力有足够支撑力。尾梁后充填空间宽度由原来的2.4 m扩大为4 m,使有效支撑空间理论上可以保证5刀煤作业,进而实现单班作业原煤产量增加[2]。

1.2 尾梁延伸装置工艺结构

在原有充填开采支护工艺中,依托现有的充填开采支架设备及充填柱体,增加该尾梁延伸装置,一头与支架尾梁连接牢固,另一头与尾梁平行搭接在充填柱体顶上。通过伸缩支架尾梁调节延伸量。每个循环周期支架多向前推进0.8 m,也就是采煤机多采1刀煤。

尾梁延伸装置主要由尾梁连接块、延伸体、销轴组成。尾梁连接块由多块钢板焊接,钢板中部制作连接孔,通过销轴与充填支架尾梁进行连接,在钢板端部侧面焊接单耳铰接孔用于其与延伸体连接。延伸体由两根3.2 m的12号工字钢平行焊接,工字钢内槽由10 mm厚钢板内嵌式封口。在工字钢梁头焊接双耳铰接孔用于其与尾梁连接块的连接。

安装时,将尾梁连接块与支架尾梁使用销轴进行连接,连接块紧靠支架尾梁端部,延伸体与尾梁连接块使用销轴进行铰接。使用时通过操作支架尾梁千斤顶实现对充填区顶板的支护。

2 尾梁延伸装置承受顶板压力和移架拉力理论核算

2.1 尾梁延伸装置受力介绍

尾梁延伸装置通过固定连接头与支架尾梁吊装耳连接,吊装耳与尾梁的焊缝强度是决定尾梁与延伸装置可靠连接的主要因素,即尾梁与延伸装置连接可靠性分析主要是验算焊缝强度[3]。

尾梁和延伸装置支护顶板的力主要来源于尾梁千斤顶,当尾梁端部受力大时,尾梁千斤顶的安全锁开启,尾梁下摆卸去顶板压力,保护延伸装置不受破坏。故焊缝强度验算按尾梁安全阀开启压力计算。

焊缝受到的另一个力是移架把延伸装置从膏体内拉出承受的拉力。

图1 尾梁尺寸及受力简图(单位:mm)

图中F1为尾梁千斤顶工作阻力为1 528 kN(缸径为160 mm,安全阀压力为38 MPa)。按O点取力矩平衡,计算F2=290/2 285×1 528=194 kN,顶板岩石容重为26 kN/m3,尾梁装置受力面积约为1 m2,尾梁端部可支撑的顶板岩层厚度为194/26=7.5 m,约等于直接顶厚度。

尾梁延伸装置焊缝焊脚尺寸为14 mm,为直角焊缝、周圈焊,焊接抗拉强度为800 MPa.

2.2 尾梁支护顶板时焊缝强度计算

焊缝受到剪切力Q=F2,吊耳中心距焊缝0.065 m.所受的弯矩M为194 kN×0.065 m=12.61 kN·m.

1) 焊缝剪切应力[4]:

(1)

式中:K为焊脚尺寸,取14 mm;L为焊缝水平长度(周圈焊),取130 mm;h为焊缝垂直高度,取30 mm.代入式(1)得,剪切应力约为62 MPa.

2) 焊缝弯曲应力:

(2)

将上述相关参数代入式(2)得,焊缝弯曲应力为185 MPa.

3) 焊缝综合应力:

(3)

将σ1和τ代入式(3)得综合应力为213 MPa.

2.3 移架时焊缝强度计算

焊缝拉应力[5]:

(4)

式中:F为拉架力为716 kN,将相关参数代入式(4)得拉应力为228 MPa.

2.4 理论核算可行性分析

焊缝焊接抗拉强度800 MPa,其屈服强度至少为母材屈服强度(Q460),由上述计算可知,吊耳弯剪组合条件下焊缝综合应力为213 MPa,移架时焊缝受到的拉应力为228 MPa,可见两种工况下焊缝受到的应力均小于母材屈服强度,在焊缝焊接质量可靠的情况下,尾梁延伸装置能承受顶板压力和移架拉力[6]。

3 尾梁延伸装置效益分析

原先膏体充填开采为3天1个循环,每个循环采3刀煤,在工作面使用该支架尾梁延伸装置后,每个循环采煤4刀,能多出1刀煤量,产量可提高34%,材料费用能降低34%,工时利用率显著提高。

实施该项目后,在每个循环周期采煤机能多采1刀煤,材料成本由6.41万元降为4.55万元,若实现单次循环产量由3刀提高至5刀后,充填作业需要的卷网、隔离布、草毡等材料消耗将会明显降低。每个循环周期能多产出煤炭815 t,按计算,2019—2021年,原煤的平均价格为856元,3天1个单循环即可多创造直接煤炭价值69.7万元。今后若实现单循环提高至5刀煤,3天1个单循环可提高煤炭产量1 630 t,创造直接经济效益达139.5万元。

该创新项目对采用充填工艺的其他矿井可以提供一个很好的参考,具备极大的推广应用价值。

4 结 语

在对尾梁延伸装置承受的顶板压力和移架拉力进行详细理论验证可行性的前提下,结合井下实际应用情况,证实该装置能够随着支架前移不断向前推进,对尾梁后顶板煤层压力有足够支撑力,目前已经实现每个循环周期充填支架多向前推进0.8 m,即多采1刀煤,产量提高34%,材料费用能降低34%,工时利用率显著提高。该装置的成功应用对其他矿井充填开采工艺提升提供了有益参考。